Ceramidas y esfingosina-1-fosfato en obesidad

La obesidad es un factor de riesgo para varias enfermedades crónicas que contribuye al desarrollo de ciertos tipos de cáncer, complicaciones cardiovasculares, resistencia a la insulina, diabetes tipo 2, asma, disfunción renal y hepática, infertilidad y disturbios del sueño.

   El tejido adiposo es el órgano endocrino más grande con diversos tipos de células. Las células primarias son los adipocitos. Además de los adipocitos, hay pre-adipocitos, células mesenquimales, fibroblastos, células endoteliales y células inmunes. Hay dos tipos básicos de tejido adiposo, pero el dominante es el tejido adiposo blanco (TAB). Debido a la riqueza de las células, el TAB desarrolla muchas funciones diferentes. En primer lugar, sirve como depósito de energía que regula la homeostasis de ácidos grasos. Durante la excesiva ingesta de alimentos, los ácidos grasos libres (AGL) se acumulan en el TAB como triglicéridos. Otra función del TAB es la secreción de adipoquinas, incluyendo adiponectina, leptina, resistina, apelina, visfatina y citoquinas como factor de necrosis tumoral α (TNFα), interleuquina-6 (IL-6) e inhibidor de activador de plasminógeno-1 (PAI-1). Hay dos tipos de TAB. El tejido adiposo subcutáneo (TAS) está localizado debajo de la dermis. El tejido adiposo visceral (TAV) está localizado alrededor de los órganos internos. Las dos clases de TAB tienen estructura morfológica similar, pero el aspecto más importante es su diversidad metabólica.  

   En la obesidad están presentes los fenómenos de hipertrofia (incremento en el tamaño de los adipocitos) e hiperplasia (incremento en el número de adipocitos). La hipertrofia es perjudicial y está asociada con disminución de la liberación de adiponectina, incremento en la liberación de citoquinas pro-inflamatorias y ácidos grasos, alteración de la sensibilidad a la insulina, hipoxia y activación de células inmunes. Por el contrario, la hiperplasia tiene el efecto opuesto. Los adipocitos son sobre cargados y pierden su capacidad de almacenar lípidos. Ellos pueden almacenar una excesiva cantidad de grasa y energía. Aún en el caso de  una innecesaria alta ingesta de alimentos, ocurre la liberación de ácidos grasos por los adipocito, los cuales son almacenados en tejido no adiposo. Esta liberación tiene un efecto adverso en el cuerpo humano, llamado lipotoxicidad.

   El tejido adiposo marrón (TAM) está  localizado en la región supraclavicular y paravertebral. El TAM controla la temperatura corporal activando la proteína desacopladora 1 (UCP1) localizada en la membrana mitocondrial. La UCP1 es estimulada por la exposición al frío e inmediatamente usa energía y genera calor. Una comida rica en carbohidratos y macronutrientes esenciales es también un estímulo para la UCP1 y la termogénesis.  Adicionalmente, hay un tejido que resulta de la “marronización” de TAB y es llamado tejido adiposo beige, el cual puede emerger de novo a partir de células progenitoras o TAS bajo la influencia de estímulos como el frío o por la activación de receptores adrenérgicos, por ejemplo, por catecolaminas. Los adipocitos beige contienen UCP1 en una concentración 10 veces menor que el TAM. Los adipocitos marrones y beige tienen la capacidad para generar energía y consumen glucosa y triglicéridos, por lo que protegen contra la obesidad. La influencia beneficiosa de la marronización de TAB y el gasto de energía pueden ser considerados como uno de los objetivos terapéuticos en el tratamiento de la obesidad.

   Las ceramidas generalmente contienen la cadena esfingoide base de 18 carbonos con una cadena acil de 14 a 30 carbonos de longitud. Ellas pueden ser modificadas para producir esfingolípidos más complejos como esfingomielina, galactosilceramida, gangliósidos y globosidos. Como componentes primarios de la membrana plasmática, las ceramidas tienen un impacto sobre las propiedades de la membrana celular. El potencial para su  redistribución en la membrana provoca un cambio en sus actividades y respuestas a enzimas. Cuando los sustratos para su síntesis son proporcionados en exceso, las ceramidas pueden acumularse en los tejidos.

   Los esfingolípidos son una clase de lípidos diversos  con un amino alcohol, esfingosina o dehidroesfingosina (esfinganina) incorporados como una columna N-acilada. Por modificación de esta estructura básica, es posible la identificación de una familia de numerosos esfingolípidos como ceramidas, esfingomielinas, glucolípidos y gangliosidos. La variedad estructural es seguida por una variedad de funciones biológicas. La síntesis de esfingolípidos depende de muchos compuestos metabólicos manejados exógenamente o transferidos del recambio de esfingolípidos.

   Los niveles celulares de ceramidas son determinados por tres rutas enzimáticas: síntesis de novo, hidrólisis de esfingomielina y la ruta salvaje. La síntesis de novo en el retículo endoplásmico (RE) comprende cuatro etapas enzimáticas secuenciales. La serina palmitoiltransferasa (SPT) cataliza la primera reacción, la condensación de palmitoil-CoA y serina para producir 3-cetoesfinganina. Este intermediario transitorio no se acumula en las células y rápidamente es convertido en esfinganina por la 3-cetoesfinganina reductasa (3Ksn). A continuación las ceramidas sintetasa (CerS1-6) agregan un ácido graso de cadena de 14 a 34 átomos de carbono a la esfinganina para producir dihidroceramidas. Las enzimas CerS tienen especificidad variable por el sustrato y distribuciones únicas en los tejidos, lo cual influye en la diversidad de esfingolípidos. En la cuarta etapa, la dihidroceramida desaturasa (Degs 1 y 2) introducen un doble enlace crítico en la dihidroceramida generando ceramidas. La segunda ruta involucra la hidrólisis de esfingomielina por esfingomielinasas neutra o ácida para producir fosfocolina y re-formar ceramida en la membrana plasmatica. La tercera ruta, llamada ruta salvaje, permite la re-formación de ceramidas a partir de esfingolípidos después que son degradados en endosomas o lisosomas. La base esfingoide liberada puede ser re-acilada por las enzimas CerS, re-sintetizando ceramida. La ceramida es desacetilada por ceramidasas para producir esfingosina que, a su vez, es fosforilada por la esfingosina quinasa a esfingosina-1-fosfato (E1P).

(1). La ruta de novo en el retículo endoplásmico (RE) comienza con la condensación de palmitoil coenzima A (CoA) y L-serina. Estearato o miristato y alanina o glicina también pueden ser usados. En condiciones normales, la reacción genera 3-cetoesfinganina, la cual por acción de la 3-cetoesfinganina reductasa es convertida en esfinganina que es acetilada a dihidroceramida por la ceramida sintetasa (CerS1-6). La dihidroceramida es oxidada por la desaturasa, lo cual resulta en la formación de ceramida. (2) En la ruta salvaje, la ceramida es desacetilada por ceramidasas para producir esfingosina, la cual es fosforilada por la esfingosina quinasa a esfingosina-1-fosfato (E1P). La E1P es transformada por la E1P liasa en aldehidos y etanolamina fosfato, sustratos de las reacciones enzimáticas para obtener acil coA. (3) La ruta esfingomielina del aparto de Golgi.  A través de la esfingomielina sintetasa se forma esfingomielina (SM) a partir de ceramida. La SM es transportada a la membrana plasmática en donde es transformada en ceramida por la esfingomielinasa. Las ceramidas, a su vez, pueden ser desaciladas por la ceramidasa a esfingosina que es fosforilada a S1P.

   En músculos esqueléticos, la acumulación de ceramidas está relacionada con resistencia a la insulina y diabetes. El elevado contenido de ceramidas altera la ruta de la insulina principalmente a nivel de la proteína quinasa B (Akt) a través de la activación de la proteína fosfatasa A2 (PPA2), lo cual resulta en alteración de la translocación a la membrana plasmática del transportador de glucosa tipo 4 (GLUT4) con la consiguiente deficiente captación de glucosa en el músculo esquelético. Los datos demuestran que la disminución de la concentración de  ceramidas en músculos esqueléticos elimina el efecto perjudicial y mejora la tolerancia a la glucosa. Más aún, está demostrado que la sobre expresión del transportador de ceramida (CERT) del RE al aparato de Golgi, disminuye la acumulación de ceramidas en los músculos mejorando la señal insulina.

   El contenido de ceramidas en la obesidad es diferente para cada tipo de tejido adiposo. El TAV muestra una fuerte correlación positiva con enfermedades metabólicas y complicaciones cardiovasculares. Los estudios indican que el TAV muestra una mayor capacidad de cambiar el metabolismo tisular que el TAS. La proximidad de órganos internos permite al TAV modular fácilmente su metabolismo. Los datos indican niveles elevados de C14-Cer, C16-Cer y C18:1-Cer en obesos no diabéticos en comparación con no diabéticos delgados. La acumulación de ceramidas en el TAV  también se observa en el síndrome metabólico. La capacidad de los adipocitos del TAV para acumular ceramidas puede causar una débil respuesta a la insulina, lipogénesis reducida y menos gotas de lípidos que el TAS. La obesidad visceral se correlaciona positivamente con el nivel de glucosa, resistencia a la insulina y concentración de colesterol.

   En algunos estudios,  el contenido total de ceramidas en el TAS es elevado en pacientes delgados en comparación con pacientes obesos y obesos con síndrome metabólico. Sin embargo, otros estudios reportan disminución del nivel total de ceramidas en pacientes delgados sanos en comparación con pacientes obesos. La ambigüedad de los resultados puede deberse a la diferencia en la localización de los tejidos examinados. Los investigadores sugieren que la excesiva ingesta de alimentos provoca hiperplasia en el TAS de la parte inferior e hipertrofia en el TAS de la parte superior del cuerpo.

   La acumulación de ceramidas en el tejido adiposo afecta negativamente el efecto inhibidor de la insulina sobre la actividad de la  lipasa sensible a hormona (LSH). En condiciones fisiológicas, la LSH estimula la lipólisis, pero la insulina liberada postprandialmente tiene un efecto inhibidor sobre la LSH. En la obesidad acompañada con resistencia a la insulina, las ceramidas acumuladas influyen sobre la insulina causando disminución de la inhibición de LSH, resultando en incremento de la concentración de AGL en el plasma. En el TAB aislados de ratones y humanos obesos, la CerS6 aumenta significativamente. La investigación sugiere que C16:0, un producto de CerS6, es un factor importante en el desarrollo de la obesidad y las complicaciones relacionadas. 

Las investigaciones demuestran que en los tejidos sensibles a insulina es posible inhibir la síntesis de novo de ceramidas usando miriocina que bloquea la actividad STP. En ratones con resistencia a la insulina inducida por dieta rica en grasas, el tratamiento con miriocina produce disminución de la concentración de ceramida y diacilglicerol (DAG) en TAV y TAS. Más aún, se observó una fuerte correlación entre el contenido total de ceramidas en el tejido adiposo y la secreción de adiponectina (negativa) y niveles de TNFα (positiva).

   La lipotoxicidad es causada por la excesiva ingesta de nutrientes y el incremento en los niveles de lípidos en la circulación sanguínea. Este proceso provoca oxidación defectuosa de lípidos, incremento en la formación de  ceramidas y acumulación de lípidos bioactivos en órganos y tejidos. La lipotoxicidad tiene un significativo impacto sobre las células β pancreáticas alterando la secreción de insulina estimulada por glucosa. Lo más significativo es que las ceramidas contribuyen a la apoptosis de células β liberando citocromo c de las mitocondrias y activando la cascada de apoptosis en el proceso de lipotoxicidad. Está demostrado que el palmitato bloquea la expresión del gen insulina en islotes pancreáticos de rata. El proceso es acompañado por la producción de novo de ceramidas. Sin embargo, la fumonisina B1, inhibidor de la ceramida sintetasa, puede detener el efecto perjudicial del ácido palmítico y las ceramidas. La inhibición de la síntesis  de ceramidas previene el efecto perjudicial del palmitato sobre la expresión del gen insulina.

   El exceso de ácido palmítico presente en la obesidad predispone a la redistribución de SphK2 del núcleo al citoplasma. Esta señal es  responsable de la lipotocidad en las células β pancreáticas. La lipotoxicidad también altera el funcionamiento del hígado, los riñones y los músculos, incluyendo cardiomiocitos. Los altos niveles de ácidos grasos saturados resultan en la producción de superóxido en la membrana mitocondrial y especies reactivas de oxigeno (ROS), causando estrés oxidativo con una reducida respuesta antioxidante. La lipotoxicidad provoca estrés de RE, el cual juega un rol esencial en la resistencia a la insulina y la muerte celular. Por otra parte. El estrés oxidativo en el hipotálamo modula la respuesta simpática del TAM, provocando reducción de la termogénesis y la ganancia de peso. La lipotoxicidad es un proceso destructivo que puede contribuir al desarrollo de desórdenes metabólicos.

   La adiponectina controla el metabolismo de lípidos y la homeostasis de la glucosa incrementando el consumo de glucosa en los músculos esqueléticos. La adiponectina trabaja con dos receptores, AdipoR1 y AdipoR2. Adipo1/2 tiene actividad ceramidasa y se une e hidroliza la ceramida a AGL y esfingosina, sustratos en la producción de E1P. Como resultado, disminuye el nivel de ceramidas mientras la utilización de glucosa y la sensibilidad a la insulina mejoran. Los datos confirman que esta unión provoca oxidación de lípidos, biogénesis mitocondrial y modificaciones anti-apoptosis. La carencia de estos receptores puede ser la razón para disfunciones metabólicas. El incremento en las concentraciones circulantes de adiponectina se correlaciona negativamente con los niveles de ceramidas. Los estudios en ratones indican que el aumento de la secreción  de adiponectina reduce la acumulación  de ceramidas en los tejidos y previene la lipotoxicidad.

   Las ceramidas son la fuente primaria de la síntesis  de novo de E1P a través de un proceso de desacilación de la esfingosina. La desacilación es catalizada por dos isoenzimas, Sphk1 (localizada en el citoplasma) y  SphK2 (localizada en núcleo, mitocondrias y RE), ampliamente expresadas en tejidos humanos. La  E1P es un lípido bioactivo que toma parte en numerosos procesos celulares como angiogénesis, crecimiento celular, apoptosis e inflamación a través de la unión a receptores E1P_1-5. La E1P tiene propiedades anti-apoptosis, aumenta la sensibilidad a la insulina y reduce la respuesta inmune. Los estudios en ratones alimentados con dieta rica en grasas demuestran una influencia positiva de análogos de S1P sobre la señal insulina y reducción de la acumulación de leucocitos en el tejido adiposo. Sin embargo, en pacientes obesos diabéticos se observa un incremento en el nivel de E1P en el TAS y un efecto negativo sobre la señal insulina. La diferencia puede depender de una afinidad no específica de E1P con el receptor E1P. En estudios in vitro, la S1P interactúa con CerS2, la cual es similar al receptor S1P, causando inhibición de CerS2. Esto podría explicar el efecto antagónico de S1P sobre las ceramidas.

   Otro punto crítico es el  tejido de acción, el tipo de isoenzima SphK y su expresión. En los músculos esqueléticos, la E1P provoca la activación de la Akt, responsable de mejorar la respuesta a la insulina a través del incremento en la captación de glucosa y la síntesis de glucógeno. Poe el contrario, en tejido adiposo, la E1P inhibe la activación de Akt después de la estimulación por la insulina. En ambos tejidos se observa un incremento en la expreion de SphK1. El efecto de Sphk1 y SphK2 sobre la actividad de las células β pancreáticas es antagónico. Los ácidos grasos saturados estimulan el eje SphK1/E1P inhibiendo la apoptosis de células β inducida por lipotoxicidad. Por el contrario, en condiciones de lipotoxicidad, la SphK2 pasa al citoplasma, promueve la apoptosis de células β y altera la homeostasis de la glucosa. La exposición a altos niveles de glucosa resulta en un incremento en la producción de E1P y elevada síntesis y secreción de insulina que disminuyen el nivel de glucosa en plasma.

   Otra controversia es la influencia de E1P sobre el proceso de inflamación. En la obesidad, está presente un estado de inflamación crónico.  El tejido adiposo, como órgano endocrino, secreta adipoquinas y quimioquinas como citoquinas pro-inflamatorias. La dieta rica en grasas resulta en una acumulación de DAG y ceramidas en el tejido adiposo y, simultáneamente, provoca un incremento en la expresión de SphK1y la conversión de ceramida en E1P. La E1P promueve la expresión y secreción de citoquinas pro-inflamatorias (TNFα, IL-6) en el tejido adiposo. Por el contrario, la E1P endógena tiene un impacto protector contra la apoptosis inducida por citoquinas en islotes pancreáticos de rata. La diferencia en la acción de la E1P está determinada por la proteína con la cual es combinada la E1P. En la circulación sanguínea, la E1P es transportada por albúmina (35%) o apolipoproteína M (ApoM) combinada con HDL colesterol (65%). La albúmina es una proteína que se une a muchos compuestos hidrofóbicos en la circulación sanguínea  mientras la ApoM/HDL es específica y probablemente es crítica en la respuesta biológica. El complejo E1P/ApoM/HDL revela un efecto antiinflamatorio en células endoteliales y ayuda a mantener la integridad vascular, lo cual es una ayuda en el tratamiento de la enfermedad vascular.

   En conclusión, la obesidad se caracteriza por la excesiva acumulación de lípidos en el TAS  y el TAV. Esto provoca alteración de la liberación de adipoquinas y citoquinas. Los cambios en el metabolismo del tejido adiposo resultan en inflamación crónica, disfunción de los islotes pancreáticos y resistencia a la insulina periférica. El exceso de lípidos es depositado en tejidos no adiposo periféricos, lo cual altera el metabolismo celular y causa un efecto perjudicial conocido como lipotoxicidad. Los ácidos grasos son metabolizados en lípidos bioactivos como las ceramidas, a partir de las cuales son formados los esfingolípidos. Las ceramidas y la E1P están involucradas en la señalización intracelular, la proliferación celular, la migración y la apoptosis. Los estudios demuestran que los lípidos bioactivos tienen un rol crucial en la regulación de la ruta de señalización  de la insulina, la homeostasis de la glucosa y la muerte de células β pancreáticas.

Fuente: Juchnicka I et al (2021). Ceramides and sphingosino-1-phosphate in obesity. Frontiers en Endocrinology 12: Article 635995.