Hormona de crecimiento y senescencia

El envejecimiento se caracteriza por daño celular acumulado que resulta en pérdida funcional y estructural de la integridad tisular, debilidad y múltiples comorbilidades por enfermedades crónicas. Los mecanismos que contribuyen al proceso de envejecimiento han sido extensamente estudiados y se han identificado  varias características  de la célula envejecida. Estas incluyen inestabilidad genómica, senescencia celular, alteración epigenética, disfunción mitocondrial, agotamiento de stem cells, pérdida de proteoestasis y alteración de la comunicación intercelular. Estos procesos pueden ocurrir separadamente, pero la mayoría de ellos están interrelacionados y delinean las contribuciones de cada mecanismo con  respecto al envejecimiento. Los cambios en la señal del eje hormona de crecimiento (HC)/factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF1) con la edad son bien conocidos y la evidencia apoya un rol en la senescencia celular.

   La senescencia fue originalmente identificada por Hayflick en 1961, describiendo lo que ahora se conoce como senescencia replicativa en fibroblastos humanos después de un prolongado período en cultivo de células. Estudios posteriores demostraron que la senescencia se caracteriza por acumulación de p16INK4, la cual mantiene estable la detención de la proliferación. La expresión de p16INK4 se correlaciona con la edad cronológica en múltiples tejidos y el locus INK4/ARF está fuertemente relacionado con patologías asociadas con la edad. La detención del ciclo celular asociado con la senescencia protege la integridad genómica en respuesta a estrés genotóxico, citoquinas, especies reactivas de oxígeno (ROS), disfunción mitocondrial y activación de oncogenes. La mayoría de los tipos de senescencia son provocados por daño al ADN causado por errores replicativos, acortamiento del telómero y daño oxidativo, aunque también puede ser causado por factores ambientales, incluyendo luz UV o drogas quimioterapéuticas. Cuando la célula no puede reparar el ADN dañado, su destino es morir por apoptosis o volverse senescente. La senescencia inducida por daño del ADN es iniciada por la activación de la ruta p53/p21, la cual dispara la detención del ciclo celular.

   Las células senescentes son aplanadas, grandes en tamaño y vacuolas y generalmente expresan β-galactosidasa  asociada a la senescencia (SA-β-gal). Las células senescentes humanas también exhiben focos de cromatina asociados con la senescencia, los cuales conjuntamente con SA-β-gal sirven como marcadores de senescencia.  Una característica distintiva de las células senescentes estables es que expresan y secretan múltiples proteínas como parte del fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP) incluyendo metaloproteinasas de la matriz, proteínas ligadoras de IGF, inmunomoduladores, quimioquinas, interleuquinas  (IL-1, IL-6, IL-8) y factor de crecimiento endotelial vascular A, los cuales actúan de manera autocrina y/o paracrina. La configuración de SASP depende del estímulo que dispara la senescencia y usualmente es específico de tipo de célula. Mientras el SASP puede ser beneficioso en la activación de respuestas inmunes para eliminar células senescentes, los efectos fisiopatológicos de las células senescentes también son mediados por SASP. Entonces, el SASP puede reforzar la senescencia de una manera autocrina o inducir la senescencia a través de acciones paracrinas sobre células vecinas, alterando la homeostasis tisular. El SASP también induce daño del ADN y activa p16 y p21 con quimioquinas e interleuquinas. Más aún, los factores SASP pueden facilitar la conversión de células premalignas en células malignas y aumentar la progresión del tumor a través de la inflamación crónica. Estos efectos en el estroma senescente son evidentes en canceres establecidos que se vuelven más invasivos y desarrollan metástasis más fácilmente cuando están rodeados de un microambiente envejecido con incremento en el número de células senescentes. En adultos mayores sometidos a cirugía, 7 proteínas SASP se correlacionan positivamente con la edad, fragilidad del paciente y consecuencias adversas postcirugía.

   Como los mecanismos de reparación de ADN son subóptimos en las células senescentes, estas células usualmente mantienen el ADN dañado. Las células senescentes se acumulan con edad en los tejidos humanos, potencialmente agravan el daño tisular relacionado con la edad y la actividad del SASP, vía paracrina, altera el microambiente tisular, disparando cambios en las células vecinas.

   A la luz de los efectos adversos del SASP sobre la homeostasis tisular, se ha prestado atención a la eliminación de células senescentes. Uno de los primeros estudios demuestra que el aclaramiento de células senescentes p16INK4-positivas por apoptosis inducible extiende el tiempo de vida saludable en ratones alterados genéticamente, proporcionando evidencia que la senescencia puede ser subyacente en ciertos fenotipos de envejecimiento. Pequeñas moléculas senolíticas inducen selectivamente la apoptosis en células senescentes, pero no en células proliferantes, resultado en menos células senescentes. Adicionalmente, los senomorficos, los cuales atenúan la expresión de citoquinas SASP como IL-6, actualmente están en investigación clínica para el tratamiento de una variedad de patologías relacionadas con la edad. Entonces, la senescencia celular puede ejemplificar un mecanismo protector que restringe la proliferación de células con ADN dañado, previniendo la adquisición de mutaciones peligrosas, mientras la acumulación de células senescentes puede afectar negativamente la homeostasis tisular y facilitar el desarrollo de características del envejecimiento celular.

   La HC es secretada principalmente por las células somatotropas de la hipófisis, mientras los tejidos periféricos, incluyendo colon, mama y linfocitos, expresan localmente HC que es reconocida por el mismo receptor (HCR). Muchos de los efectos promotores de crecimiento de la HC son mediados por IGF1, el cual también ha sido implicado en el proceso de envejecimiento.

   El envejecimiento en humanos está asociado con somatopausia, una disminución espontanea en la secreción de HC de aproximadamente 15% por cada década de vida adulta así como una reducción de IGF1. Disminuciones similares se observan en otras especies de mamíferos debido a la disminución en la secreción de hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH). Algunos estudios sugieren que la supresión del eje HC/IGF1 es un componente de una ruta conservada que desvía el uso de energía hacia el crecimiento y la proliferación en organismos envejecidos. Estos hallazgos han llevado a postular la hipótesis que la disminución de la  señal HC está asociada con el envejecimiento del organismo.

   Si la atenuación de los niveles de HC y de la señal HCR es beneficiosa  para optimizar la duración de vida humana y, a su vez, atenuar el impacto perjudicial de las enfermedades asociadas con la edad incluyendo ateroesclerosis, diabetes y cáncer es algo que actualmente está bajo intenso estudio.  Modelos animales con deficiencia de la señal HC exhiben extensión del tiempo de vida con disminución de la incidencia de cáncer, anormalidades metabólicas asociadas con la edad y disminución del déficit cognitivo. Por el contrario, el exceso de HC en humanos con acromegalia y modelos de ratones  transgénicos resulta en acortamiento del tiempo de vida. Los pacientes con acromegalia desarrollan comorbilidades cardiovasculares, cerebrovasculares y respiratorias, así como un incremento en el riesgo de cáncer. Los ratones transgénicos que sobre expresan HC tienen una significativa disminución del tiempo de vida (aproximadamente 50%) con síntomas de envejecimiento acelerado,  incluyendo desarrollo temprano tumores mamarios en las hembras, incremento de la astrogliosis, acortamiento de la vida reproductiva e inicio temprano de cambios en la función cognitiva relacionados con la edad. Estos resultados sugieren un rol significativo para la HC como un determinante adverso del  fenotipo envejecimiento.

   La senescencia celular es un importante elemento del proceso de envejecimiento y la evidencia apoya el involucramiento de la HC en las rutas de señalización que subyacen al fenotipo senescencia. En humanos, los adenomas de la hipófisis que secretan HC también exhiben incrementos significativos de la expresión de p21, p53 y SA-β-gal, en comparación con otros tipos de tumores de la hipófisis. La secreción de HC por la hipófisis depende de la activación de cAMP y la estimulación por la GHRH. La HC por inducción de daño del ADN puede establecer la senescencia en las células somatotropas de adenomas de la hipófisis.

   La asociación de HC con senescencia ha sido confirmada en células de la hipófisis y células no hipófisis. Nutlin3, es una pequeña molécula que activa el daño al ADN a través de proteger a p53 de la degradación y el tratamiento con nutlin3 induce un fuerte fenotipo senescente. La p53, un activador de senescencia,  se une al promotor HC e induce la actividad del promotor HC y la transcripción del mARN de HC. En adenomas de hipófisis secretores de HC en humanos, la expresión de HC se correlaciona con la expresión de SA-β-gal y el tratamiento con nutlin3 in vitro de las células del adenoma resulta en un incremento significativo de la secreción de HC en el medio de cultivo. Los experimentos in vivo confirman esta observación  y los ratones inyectados con nutlin3 exhiben altos niveles de p53 en los tejidos e incremento en los niveles de mARN de HC  en hipófisis, pulmón e hígado. Entonces, en las células senescentes, la expresión de HC es disparada por p53. La p53 exhibe una regulación de retroalimentación positiva-negativa con la HC. La p53induce HC, mientras la HC, a su vez, suprime significativamente a la p53 in vitro e in vivo. La supresión de p53 inducida por HC parece ser mediada por la activación de la E3 ligasa conteniendo dominio tripartita 29 (TRIM29), la cual se une a la p53 haciéndola susceptible a la ubiquitinización. En humanos, el daño de ADN asociado con la edad induce HC y la HC suprime la acción de la respuesta al daño de ADN y las rutas de reparación de ADN resultan en acumulación de ADN dañado, una característica de un microambiente envejecido.

   La HC puede ejercer efectos autónomos y no autónomos en las células senescentes. Como la p53 juega un rol importante en el establecimiento de la senescencia, la HC inducida puede  suprimir la p53, cambiando el perfil de célula senescente, también puede afectar la expresión de p53 en células vecinas no senescentes vía acciones paracrinas. La supresión de p53 a menudo está asociada con incremento de la proliferación y las células senescentes usualmente pueden reentrar al ciclo celular, mientras las células no senescentes vecinas pueden también incrementar la proliferación. El ADN dañado se acumula  con la edad y es considerado un marcador y una causa de envejecimiento. Como el ADN dañado no reparado a menudo favorece  la senescencia prematura de la célula, los mecanismos que regulan la repuesta al ADN dañado juegan un rol importante en el desarrollo de la senescencia. La ATM es un componente clave de las rutas de señalización activadas por ADN dañado. La activación de ATM por autofosforilación en la serina 1981, fosforila la quinasa checkpoint 2 (Chk2) para detener la proliferación y también fosforila p53 en la serina 15 resultando en la activación y estabilización de p53. S su vez, la p53 fosforilada promueve la detención del ciclo celular y activa proteínas que reparan ADN. En estudios in vivo e in vitro con modelos animales, los altos niveles de HC inducen TRIM29 y suprimen la proteína interactuante tag 60 kDa (Tip60), provocando la desactivación de ATM. Por otra parte, la HC, suprimiendo la actividad DDR incrementa el ADN no reparado. Entonces, la HC inducida en células senescentes dañadas resulta en acumulación de ADN dañado en las células vecinas para alterar l microambiente tisular.

   En la hipófisis, estos mecanismos que subyacen a la acción de HC podría explicar las propiedades únicas de las células senescentes de adenomas que secretan HC que potencialmente relacionan la hipersecreción de la hormona con la inestabilidad del genoma y también proporciona una explicación porque los adenomas de la hipófisis son casi invariablemente benignos. La HC también está asociada con la senescencia en otros tejidos. Por ejemplo los fibroblastos de la piel de pacientes con acromegalia exhiben telómeros acortados y senescencia celular.

   En conclusión, el rol de la HC en el desarrollo y mantenimiento de la senescencia es complejo. La abundancia intracelular de HC o los niveles circulantes elevados pueden inducir daño del ADN. Por el contrario, en células altamente proliferativas, la senescencia y la  p53 inducen HC endógena, la cual, as u vez, suprime la p53 predisponiendo a las células senescentes a reentrar al ciclo celular y potencialmente a su transformación neoplásica. La HC, como un componente del SASP, puede aumentar el potencial proliferativo de células vecinas vía acción paracrina y por suprimir la reparación del ADN dañado puede incrementar la acumulación de ADN dañado. Por otra parte, dependiendo del tipo de tejido y las propiedades proliferativas, la HC puede inducir un fenotipo envejecimiento que aumenta la senescencia. Estos mecanismos, al menos en parte, pueden subyacer a los efectos pro-envejecimiento observados en modelos animales y en pacientes con niveles de HC crónicamente elevados.

Fuente: Chesnokova V, Melmed S (2022). GH and senescence: a new understanding of adult GH action. Journal of the Endocrine Society 6: 1-7.

 

Sueño, ritmos circadianos y diabetes mellitus tipo 2

La diabetes mellitus se caracteriza por hiperglucemia crónica debida a desregulación del metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas. La diabetes mellitus tipo 2 (DMT2) es la forma más común de diabetes. La principal causa de DMT2 es la resistencia a la insulina en músculo esquelético, hígado y tejido adiposo que eventualmente produce disfunción e insuficiencia de las células β pancreáticas. Estas alteraciones resultan en un estado de hiperglucemia crónica que si no es tratada puede causar serias complicaciones, incluyendo enfermedad microvascular y macrovascular.

   La emergencia de la electricidad y la luz artificial han provocado que nuestros ciclos conductuales sean independientes de los patrones externos de luz solar  y lleva a las personas a permanecer más tiempo sin exposición a la luz solar acompañado con un incremento en la privación de sueño. Este cambio en la conducta sueño-vigilia ha provocado que la disrupción en el sueño y el ritmo circadiano (SCRD) sea más común que antes. La SCRD se refiere a cualquier problema asociado con la calidad, la duración y la cantidad de sueño incluyendo condiciones patológicas así como disrupciones voluntarias del sueño o los ciclos circadianos. Las disrupciones de estos ritmos pueden tener serias consecuencias para la salud con evidencia que implica fuertemente a la SCRD en el incremento de riesgo de DMT2. La relación entre sueño y DMT2 inicialmente surgió de estudios de laboratorio con humanos, los cuales demostraron que la restricción total o parcial de sueño por unos días resulta en una disminución de la tolerancia a la glucosa y alteración de la sensibilidad a la insulina. Varios estudios a gran escala y meta-análisis demostraron una relación en forma de U entre el riesgo de DMT2 y duración del sueño con 7-8 horas considerado como duración óptima del sueño. Es sorprendente que tanto la corta duración como la larga duración de sueño incrementen el riesgo de DMT2 reduciendo la posibilidad de una simple relación lineal entre enfermedad metabólica y horas de sueño.

   En apoyo a estos resultados, las investigaciones de la incidencia de DMT2 en pacientes con apnea obstructiva del sueño (OSA) quienes exhiben fragmentación del sueño y disminución de la duración, demostraron que los pacientes con OSA más severa tienen un mayor riesgo de DMT2 aún después de controlar otros factores de riesgo como edad y obesidad. El aberrante tiempo de sueño y los patrones de conducta como resultado de los turnos de trabajo nocturno, también incrementan el riesgo de diabetes. Las personas con jet lag social, y una diferencia de más de dos horas en el tiempo de vigilia entre los días de reposo y los días de trabajo, tienen una mayor incidencia de DMT2.

   A pesar de la fuerte evidencia que implica a la SCRD en la DMT2, la naturaleza de la interrelación entre sueño, ritmos circadianos y metabolismo ha hecho difícil  crear un modelo claro que explique la contribución de la SCRD en la DMT2. Un estudio reciente propone un esquema que divide las consecuencias de la SCRD en dos brazos diferentes. El primer brazo es la consecuencia de la privación de sueño, activando varios procesos para mantener la vigilia con un factor homeostático S (se acumula en la vigilia y se disipa durante el sueño).  El segundo brazo enfoca  los efectos de la alteración circadiana por cambios en los tiempos de los ciclos conductuales (por ejemplo, ejercicio o alimentación). Ambos procesos están interrelacionados e influyen uno en el otro, la disrupción de uno de estos ejes invariablemente afecta al otro.

   De acuerdo con este modelo, la consecuencia primaria de la privación de sueño podría ser la acumulación del factor S que no puede ser completamente disipado. Sin embargo, la identidad del factor homeostático aún no está clara con estudios que sugieren que es mediado por somnógenos, incluyendo adenosina, prostaglandinas o interleucinas con la adenosina liberada por los astrocitos como la más estudiada. Los estudios de microdialisis demuestran que la adenosina extracelular incrementa periódicamente en el cerebro anterior basal, promotor de la vigilia, y disminuye en el sueño. Más aún, la activación de receptores de adenosina incrementa el sueño mientras los antagonistas (por ejemplo, cafeína) promueven la vigilia. Aunque está claro que la adenosina y otros somnógenos contribuyen al sueño, no solamente son factores promotores de sueño. En la teoría de los somnógenos, la evidencia más reciente sugiere que el factor S puede ser codificado por la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) que resulta en estrés oxidativo neuronal y varios estudios sugieren que la principal función del sueño es proporcionar un período de quietud neural global para aliviar el estrés neuronal.

   Estudios recientes demuestran que la adenosina y las ROS causan disrupción del balance del sistema nervioso autónomo resultando en una dominancia simpática relativa y una disminución del tono vagal ampliando los efectos observados en la privación de sueño. Aunque estos estudios hacen énfasis sobre los efectos cardiovasculares, el desbalance simpático-vagal claramente afecta la función metabólica. El relativo incremento en la actividad del sistema nervioso simpático (SNS) incrementa la sensibilidad de las glándulas adrenales a la ACTH antes del sueño elevando los niveles de cortisol, una observación común en los individuos con privación de sueño. El incremento en las concentraciones de cortisol en un tiempo equivocado del día causa aumento del estrés neuronal por mayor generación mitocondrial de ROS.   Además de los efectos de la acumulación de factor S, los circuitos neurales que promueven la vigilia pueden manejar la liberación de cortisol y el desbalance simpático-vagal. Uno de los ejemplos mejor estudiado de esto son las neuronas orexina del hipotálamo que incrementan su actividad durante la privación de sueño. Estas neuronas orexina tienen proyecciones a las células del núcleo paraventricular (NPV) y núcleos autonómicos facilitándoles  la regulación al alza de los ejes hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) y SNS mientras regulan a la baja el sistema parasimpático (SNP). Estos cambios en la actividad autonómica  y la liberación de cortisol tienen un gran impacto a través del cuerpo afectando la inmunidad, el apetito y el metabolismo.

   Los elevados niveles de cortisol reducen la sensibilidad a la insulina, disminuyendo la inhibición de la lipólisis. La lipólisis libera ácidos grasos libres  no esterificados (AGLN) que son convertidos en acil CoA para producir triglicéridos en músculo esquelético e hígado. La acumulación de grasa ectópica en  hígado y músculo esquelético puede causar otras complicaciones como enfermedad hepática grasa no alcohólica, también relacionada con la privación de sueño. Cuando se sintetizan triglicéridos, el diacilglicerol (DAG) producido activa a la PKCε en hepatocitos o PKCε/PKCθ en miocitos para inhibir la señal insulina. Este efecto se debe a la reducción inducida por cortisol de la sensibilidad a la insulina en estas células. Esta reducción en la sensibilidad a la insulina en los miocitos reduce la inserción de GLUT4 y por consiguiente la captación de glucosa en el músculo, incrementando los niveles circulantes de glucosa. En el hígado, la reducción de la sensibilidad a la insulina y el incremento en los niveles de acetil CoA disparan la gluconeogénesis. Normalmente, los elevados niveles de glucosa manejan la liberación de insulina en el páncreas, pero el relativo incremento en la actividad del SNS y el cortisol inhiben esta respuesta. Por tanto, en largos períodos de tiempo, la glucotoxicidad altera la función de las células β pancreáticas. El desbalance autonómico y el cortisol también pueden manejar directamente procesos inversos a la acción de la insulina (por ejemplo, incrementar la gluconeogénesis hepática, reducir la captación de glucosa vía GLUT4 en tejido adiposo y músculo esquelético).

   El ritmo circadiano es manejado por un asa de retroalimentación transcripción-translación que involucra cuatro genes reloj: CLOCK, BMAL1, PER y CRY oscilando cíclicamente en un período de aproximadamente 24 horas. Este ritmo endógeno es producido por el reloj master en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo, pero todas las células en órganos periféricos también tienen un reloj circadiano intrínseco. El NSQ entrenado primariamente por la luz, vía tracto retinohipotalámico, usa rutas neuroendocrinas para sincronizar los relojes en otras áreas del cerebro y órganos periféricos. Entonces, todos los relojes a través del cuerpo están sincronizados al NSQ y a los ciclos luz-oscuridad del ambiente. Estos relojes periféricos influyen en la función local de los tejidos y, con base en el ciclo luz-oscuridad, el cuerpo anticipa y prepara varias conductas. Estas anticipaciones son críticas en el metabolismo con el pico de la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina en la mañana. Esto significa que las disrupciones en el ritmo circadiano pueden afectar la sensibilidad a la insulina, incrementando el  riesgo de DMT2. Más aún, los experimentos demuestran que la alteración circadiana por si sola puede manejar la resistencia a la insulina, independiente de la privación de sueño.

   Los efectos circadianos sobre la tolerancia a la glucosa son manejados primariamente por relojes periféricos en sincronía con el NSQ mediante cambios anticipatorios que preparan los ciclos conductuales. Es de hacer notar que algunos de los mecanismos neuroendocrinos usados por el NSQ para mantener la sincronía de los relojes periféricos pueden influir directamente en los procesos metabólicos. Por ejemplo, el SNC además de señales de nervios autonómicos, maneja directamente la liberación de cortisol, hormona de crecimiento y melatonina, las cuales afectan separadamente la sensibilidad a la insulina. Estos ritmos anticipatorios están sincronizados con los ciclos de luz, pero la emergencia de la luz artificial hace que los ciclos conductuales no necesiten adherirse a la luz solar. Por ejemplo, en la ingesta de alimentos, la constante exposición a nutrientes, especialmente en horas de la tarde cuando la tolerancia a la glucosa es baja reduce la capacidad para metabolizar eficientemente los alimentos. Esto podría provocar niveles plasmáticos  elevados de glucosa y triglicéridos que resultan en acumulación ectópica de lípidos y glucotoxicidad que pueden contribuir al inicio de la DMT2. Al igual que los alimentos, el ejercicio y la temperatura pueden funcionar como dadores de tiempo (“zeitgebers”) de varios relojes periféricos cuando los ciclos conductuales no siguen los patrones de luz. Si los ciclos conductuales no están alineados con los ciclos de luz externa, la amplitud de las oscilaciones circadianas del NSQ es menor, alterando los procesos  metabólicos anticipatorios  mediados por el NSQ (por ejemplo, liberación de cortisol, hormona de crecimiento). Esta reducción en la amplitud del ritmo central resulta en pérdida de sincronía no solo entre el NSQ y los relojes periféricos sino también entre los relojes periféricos.   Como los diferentes tejidos periféricos son entrenados por diferentes estímulos, la alteración circadiana puede resultar en pérdida de la sincronía de los relojes periféricos.

   En conclusión, la evidencia obtenida en experimentos con animales  y en estudios controlados en humanos demuestra que la privación de sueño y las alteraciones de los ciclos circadianos pueden disparar directamente la disfunción metabólica, causando diabetes. Sin embargo, el mecanismo preciso por el cual estos procesos contribuyen a la resistencia a la insulina aún son pobremente entendidos. Varios estudios proponen que la privación de sueño causa una dominancia relativa del sistema nervioso simpático y un incremento en la producción de cortisol. Los niveles elevados de cortisol reducen la sensibilidad a la insulina y disminuyen la inhibición de la lipólisis. Por otra parte, si los ciclos conductuales no están alineados con los ciclos de luz externa, la amplitud de las oscilaciones circadianas del NSQ es menor, alterando los procesos metabólicos anticipatorios mediados por el NSQ resultando en falta de sincronía entre el NSQ y los relojes periféricos y también entre los relojes periféricos entre sí. La falta de sincronía entre los relojes circadianos puede alterar la función metabólica resultando en acumulación ectópica de lípidos y elevados niveles plasmáticos de glucosa y triglicéridos. La glucolipotoxicidad altera la función de las células β pancreáticas.

Fuente: Parameswaran G, Ray D W (2022). Sleep, circadian rhythms, and type 2 diabetes mellitus. Clinical Endocrinology 96: 12-20.