Neurobiología de la pubertad: mecanismos noveles

La pubertad es un fenómeno clave en la maduración sexual y somática. El inicio de la pubertad es el resultado final de las interacciones entre los determinantes genéticos y un gran número de reguladores que incluyen  factores endógenos  y señales ambientales. Estas interacciones comienzan en estadios muy tempranos de la diferenciación sexual del cerebro, por lo que la pubertad puede ser considerada como el punto final de un proceso de maduración continuo signado por las interacciones dinámicas de los genes y el ambiente durante el desarrollo prenatal y postnatal. Desde un punto de vista neurobiológico, el inicio de la pubertad se manifiesta a través del incremento en la actividad neurosecretora de las neuronas GnRH en el cerebro, lo cual, a su vez, aumenta la actividad del eje gonadotrópico que conduce a la completa maduración gonadal. La secreción episódica de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), necesaria para la liberación hipofisiaria de gonadotropinas y, por tanto, para la función gonadal, es el resultado del  interjuego   entre la naturaleza oscilatoria intrínseca de las neuronas GnRH y las señales aferentes excitatorias e inhibitorias  que se integran en el llamado pulso generador de GnRH.

Entre los diferentes reguladores trans-sinápticos  de las neuronas GnRH, las kisspeptinas (Kp) han recibido mucha atención en los últimos años. Las Kp (Kp-54, Kp-10) constituyen una familia de péptidos relacionados estructuralmente, codificados por el gen Kiss 1, que actúan a través del receptor GPR54 (también llamado Kiss1R), acoplado a proteína G. El patrón de distribución anatómica  de las neuronas Kiss1 en el hipotálamo  ha sido bien caracterizado en roedores, donde se han identificado  dos poblaciones prominentes   de neuronas, una en el núcleo arcuato y otra en el área periventricular rostral  del tercer ventrículo (RP3V).  En otros mamíferos, incluyendo primates, las neuronas Kiss1 son abundantes  en el núcleo arcuato, pero la población del RP3V no ha sido confirmada plenamente.  A pesar de la capacidad común para producir Kp, las neuronas del núcleo arcuato y del RP3V responden de manera diferente  a los reguladores y aparentemente juegan papeles diferentes en el control de los diversos aspectos de la reproducción, pero la naturaleza de tales acciones  y sus eventuales mecanismos reguladores no han sido dilucidados.   

Una de las facetas más interesantes del sistema Kiss1 es su potencial implicación en el control de la pubertad. Esto ha sido  sugerido por el hallazgo de ausencia de  pubertad en humanos y ratones con inactivación genética del receptor  GPR54 y apoyado por el reporte reciente  de impuberismo en humanos con mutaciones del gen Kiss1.  El patrón de activación de las neuronas Kiss1 durante la pubertad  ha sido documentado sobre la base de los siguientes hallazgos; i) un incremento del tono Kp endógeno, suficiente per se para activar completamente el eje GnRH/gonadotropinas;  ii) una elevación en la sensibilidad de los efectos estimuladores de las Kp en términos  de las respuestas GnRH/LH; iii) un aumento de la eficiencia de la señal GPR54 y resistencia a la desensibilización por estimulación Kp continua;  y iv) un incremento en el número de neuronas Kp y sus proyecciones hacia las neuronas GnRH.

Otra faceta del sistema Kiss1 que ha despertado considerable interés  ha sido la identificación  de señales reguladoras  y patrones interactivos de Kp. Los estudios sobre este punto han hecho posible la identificación de neurotransmisores  que son coexpresados con las Kp en poblaciones neuronales  específicas. Por ejemplo, la expresión de neuroquinina B (NKB) ha sido demostrada en las neuronas Kiss1 de numerosas especies. La relevancia de esa coexpresión  y de las acciones NKB (TAC3 en humanos) en  el cerebro reproductivo ha sido reforzada por los datos de estudios en humanos  que demuestran  que las mutaciones en el gen que codifica a la NKB  o a su receptor NKBR  (TAC3R en humanos)  están asociadas con impuberismo.  Para agregar más complejidad, la dinorfina-A (Dyn) también ha sido identificada en las neuronas que expresan Kiss1/NKB. La colocalización  Kiss1/NKB/Dyn  es una característica específica de la población de neuronas Kiss1 del núcleo arcuato. El término neuronas KNDy usado para referirse a esas neuronas enfatiza la colocalización de los tres neuropéptidos.  Las neuronas KNDy son elementos clave en la generación  de los pulsos de GnRH. Las Kp podrían operar como la señal responsable  de la activación directa  de las neuronas GnRH. A su vez, la NKB puede actuar sobre las neuronas KNDy  para estimular la liberación de Kp y, por consiguiente, inducir la secreción de GnRH de una manera indirecta. Esta posibilidad es apoyada, al menos parcialmente, por un importante número de evidencias experimentales. El tercer miembro del trío KNDy, la dinorfina, ha sido reconocido por mucho tiempo como inhibidor  de la secreción de gonadotropinas a través de su capacidad para reprimir la liberación de Kp en las neuronas GnRH. Entonces,  el balance y las acciones recíprocas de KNB y Dyn  podría ser un determinante de la secreción dinámica de Kp y por consiguiente  de la generación de la secreción pulsátil de GnRH y LH.

Por otra parte, la cantidad de los depósitos de energía  (grasa) y el estatus metabólico del organismo son reguladores clave del inicio de la pubertad. Esto es especialmente evidente en la hembra,  pues las reservas de energía son necesarias para el establecimiento de la pubertad y la fertilidad, específicamente el embarazo y la lactancia están acoplados a un marcado “drenaje”  metabólico. Sin embargo, este fenómeno también tiene lugar en el varón y  situaciones  de exceso de energía sostenido, como la obesidad, pueden estar asociadas con alteraciones de la pubertad. En este contexto, la evidencia experimental acumulada durante los últimos 15 años  ha documentado el papel esencial de la leptina en el control metabólico de la pubertad y la fertilidad. En diferentes especies, incluyendo humanos, se ha demostrado que la leptina más que un disparador opera como un factor permisivo para el desarrollo de la pubertad si se han alcanzado suficientes reservas energéticas en el cuerpo. Con relación a los sitios y los mecanismos de acción  de la leptina, la situación es menos clara. Por un lado, se asume que la leptina es capaz de modular el sistema neuronal GnRH. Por otro lado, esta acción parece ser indirecta, vía aferentes intermediarios, dado que las neuronas GnRH carecen de receptores funcionales de leptina.  El reconocimiento de tal modo indirecto de acción de la leptina sobre las neuronas GnRH  ha dado lugar a las preguntas sobre cuáles son los blancos primarios  y las rutas de los efectos de la leptina en el cerebro reproductivo. En este sentido, los potenciales modos de acción incluyen: (1) acciones directas de la leptina sobre las neuronas Kiss1, las cuales a su vez se proyectan a las neuronas GnRH; (2) acciones indirectas de la leptina sobre neuronas aferentes que se proyectan sobre las neuronas Kiss1; y/o (3) acciones de la leptina sobre núcleos hipotalámicos (o extra-hipotalámicos) que carecen de neuronas Kiss, como el núcleo premamilar ventral.  

En la cada vez más grande lista de potenciales modulares puberales, recientemente se ha incorporado al péptido nesfatina-1. Considerando que la obesidad frecuentemente está asociada con resistencia a la leptina y teniendo en cuenta la íntima asociación entre los mecanismos reguladores centrales del balance energético y la pubertad, y la posibilidad de rutas independientes de la leptina que modulen el inicio de la pubertad se ha explorado la hipótesis de que la nesfatina-1 puede jugar un rol en el control central  de la pubertad. Los estudios preclínicos han apoyado esta hipótesis.  La nesfatina-1 es un producto peptídico del gen NUCB-2, con efectos anoréxicos independientes de la señal de la leptina y con expresión en áreas hipotalámicas relacionadas con el control de la ingesta de alimentos: núcleo arcuato, núcleo periventricular,  e hipotálamo lateral. La expresión hipotalámica de NUCB-2/nesfatina-1 aumenta durante la transición puberal y las condiciones de balance energético negativo conocidas por perturbar la pubertad disminuyen los niveles del péptido en el hipotálamo.  La relevancia de la señal nesfatina-1 en el inicio de la pubertad es apoyada  por el análisis funcional de los efectos de su activación  o inactivación. En este sentido, la inyección central de dosis bajas  de nesfatina-1 produce incrementos moderados pero significativos  en los niveles circulantes de LH en ratas hembras peripuberales. Si además de su papel en la pubertad, la nesfatina-1está involucrada en el control del eje gonadotrópico en el adulto es algo que aún no ha sido definido.

Dada la intrincada naturaleza de la pubertad como un evento complejo sensible  a numerosos reguladores es viable pensar no sólo en el control transcripcional de las múltiples rutas sino también en elementos reguladores adicionales  como la epigenética y los microARN.  Estudios recientes han identificado una asociación de la edad de la menarquia con variabilidad en 6q21, en o cerca del gen Lin28B. Este hallazgo ha sido reforzado por el hecho de que el Lin28B está relacionado con el desarrollo mamario y la talla adulta. El Lin28B y su relacionado Lin28A son proteínas unidas a ARN  cuya principal función conocida  es bloquear el procesamiento de los microARN de la familia let7, a través de la inhibición de la maduración de los precursores let7. Además de los microARN, la evidencia preliminar sugiere que la regulación de los componentes clave  de las rutas centrales que gobiernan el inicio de la pubertad puede involucrar también mecanismos epigenéticos. Entre los diferentes mecanismos de control epigenético de la expresión de genes, los más relevantes y mejor caracterizados son la metilación de ADN  y la modificación de histonas. Las modificaciones epigenéticas pueden contribuir al control de los cambios transitorios y dinámicos  de las rutas neuroendocrinas que gobiernan el inicio de la pubertad. Esta posibilidad ha sido explorada recientemente y los datos reportan  cambios profundos en  los patrones de metilación del ADN en el hipotálamo durante la pubertad. Adicionalmente, el bloqueo farmacológico de la desacetilación de histonas en ratas hembras juveniles retarda  el tiempo de la pubertad.  Sobre la base de estos resultados se ha propuesto  que, en condiciones fisiológicas, los cambios epigenéticos podrían operar en el hipotálamo para inhibir la expresión de genes represores de la pubertad. En este contexto, y considerando su perfil biológico, es posible  que el gen Kiss1 esté bajo regulación  epigenética.

Fuente: Tena-Sempere M. (2012). Deciphering puberty: novel partners, novel mechanisms. European Journal of Endocrinology 167: 733-747.

El GLP-1 y el apetito

El péptido glucagonoide 1 (GLP-1) deriva del gen que codifica al proglucagón, el cual en el tracto gastrointestinal y en el cerebro es modificado post-translacionalmente  y clivado  en las formas biológicamente activas, GLP-1 (7-36) amida, la principal forma circulante en los humanos,  y GLP-1 (7-37). La hormona tiene un papel prominente  en la homeostasis de la glucosa, la motilidad gastrointestinal y el apetito.

El GLP-1 es secretado por las células L del intestino en respuesta a los nutrientes intraluminales, pero su secreción también puede ocurrir antes de  ingerir la comida. Con respecto a los nutrientes, en los humanos se pueden observar  dos picos de  secreción de GLP-. El primer pico aparece a los 15 minutos de iniciada la ingesta de la comida cuando aún los nutrientes no tienen acceso a las células L. Esta rápida elevación en los niveles de GLP-1involucra un asa neuroendocrina donde los nutrientes en el estómago o el intestino proximal estimulan la liberación  de hormonas como el péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP) y el péptido liberador de gastrina que actúan a través de rutas vagales  para estimular a las células L  para que secreten GLP-1. El sistema nervioso entérico también puede contribuir a este primer pico  de GLP-1.  El segundo pico ocurre más tarde, es más grande, y se piensa que deriva del contacto directo de los nutrientes con las células L. Entonces, los nutrientes en el tracto gastrointestinal pueden estimular la secreción de GLP-1 directamente  e indirectamente a través de mecanismos hormonales y neurales.

El GLP-1 es también expresado  por neuronas del núcleo del tracto solitario del tallo cerebral y es liberado  de los terminales nerviosos en una variedad  de áreas cerebrales  que incluye núcleos del hipotálamo, el hipocampo y la corteza cerebral. El GLP-1 central es un enlace importante en la mediación de la anorexia producida por numerosos factores. Sin embargo, en algunos núcleos cerebrales donde la unión del GLP-1es alta hay pocas fibras nerviosas GLP-1, un hallazgo que sugiere  que el  GLP-1 periférico también interviene en la activación de los receptores centrales.   EL GLP-1 del tallo cerebral puede mediar los efectos anoréxicos  de los lipopolisacáridos, el cloruro de litio, la colecistoquinina, la leptina y la oxitocina.

Las acciones del GLP-1 son mediadas por un  receptor (GLP-1R)  acoplado a proteína G  que es expresado en la periferia (nervios entéricos, nervio vago, páncreas, estómago, intestino y tejido adiposo) y en el cerebro (tallo cerebral, hipotálamo, hipocampo y núcleos corticales). No se sabe con exactitud  si el GLP-1 periférico  actúa localmente para alterar la motilidad gastrointestinal y el apetito, o si el GLP-1  puede activar directamente al  GLP-1R cerebral para modular estas funciones/conductas.  El GLP-1 liberado de la célula L  difunde en la lámina propia y entra en los vasos  linfáticos o en los capilares. En los capilares, el GLP-1 es rápidamente degradado por la dipeptidil peptidasa IV (DPP-IV), una enzima que se localiza en las paredes capilares. Es posible, sin embargo, que el GLP-1 pueda actuar sobre el GLP-1R de las aferentes vagales en la lámina propia, o de los nervios entéricos en la pared intestinal, antes de entrar en los capilares. También puede ser posible  que con un mayor incremento  de GLP-1 se  sature la DPP-IV disponible y entonces entre más GLP-1 a la circulación general. Si el GLP-1 sobrevive a la degradación por parte de la DPP-IV es posible que pueda activar al GIP-1R central, porque el GLP-1 circulante atraviesa la barrera hemato-encefálica por difusión simple en los órganos circunventriculares.  Es razonable pensar que el GLP-1 periférico pueda activar los receptores centrales porque son muy pocas las fibras nerviosas GLP-1 presentes en los núcleos cerebrales  relacionados con la alimentación, como ocurre en el núcleo arcuato del hipotálamo.

Un mecanismo por el cual el GLP-1 puede alterar el apetito es a través  de cambios en la función gastrointestinal. El GLP-1 disminuye el vaciamiento gástrico y la motilidad intestinal y contribuye a la “pausa ileal”, un mecanismo de retroalimentación inhibitoria que funciona para optimizar la digestión y absorción de los nutrientes. El GLP-1 afecta las funciones motoras del tracto gastrointestinal a través del sistema nervioso central y periférico. Las rutas neurales mediadas por el vago participan en la atenuación inducida por el GLP-1 de la motilidad y el vaciamiento del estómago, en modelos animales, y de la motilidad intestinal,  en humanos. Las interacciones con el GLP-1 cerebral también pueden contribuir a estos cambios pues la inyección intracerebroventricular  de GLP-1 inhibe el vaciamiento gástrico  a través de rutas no colinérgicas y no  adrenérgicas en ratas. Una tercera, y más directa, ruta de los cambios en la función motora inducidos por el GLP-1 puede ocurrir a través  de la activación del GLP-1R de las neuronas entéricas de la pared intestinal. Más específicamente, el GLP-1 inhibe la actividad evocada en el músculo circular del intestino modulando presinápticamente la descarga parasimpática colinérgica. Por el contario, el GLP-1 no afecta la actividad espontánea del músculo circular ni la actividad espontánea o provocada del músculo longitudinal. En conjunto, estos resultados sugieren que el GLP-1 puede modular los impulsos neurales en la capa de músculo circular, pero no en la capa de músculo longitudinal y es consistente con la noción de que la contracción de la capa de músculo circular es dominante en el peristaltismo. Estos resultados también demuestran que el GLP-1 sólo puede inhibir la acción neural evocada, pero no la espontánea, sobre la motilidad intestinal. En contraste con el efecto inhibitorio sobre el estómago y el intestino delgado, el GLP-1 incrementa el transito colónico,  y este efecto puede ser mediado por un mecanismo de acción central. Dado que la estimulación colinérgica aumenta la actividad motora del colon en humanos,  el GLP-1 puede actuar en el núcleo motor dorsal del vago para mediar  cambios en la inervación parasimpática y alterar las contracciones motoras en el colon.

En el núcleo arcuato del hipotálamo, las acciones del GLP-1 son mediadas a través de los componentes anorexigénicos (neuronas POMC). Los mecanismos centrales son importantes en las acciones del GLP-1, periférico o  central. Aun si consideramos que  GLP-1 periférico actúa localmente  sobre las neuronas entéricas o vagales, las respuestas neurales u hormonales deben activar circuitos cerebrales para afectar la ingesta de alimentos. Por ejemplo, las lesiones de las proyecciones  del tallo cerebral al hipotálamo reducen la supresión del apetito mediada por el GLP-1 periférico  en ratas. Por otra parte, inyecciones centrales de GLP-1 inhiben la ingesta de alimentos y este efecto central no requiere la presencia de comida en el estómago o la inhibición del vaciamiento gástrico. El tallo cerebral caudal parece ser suficiente para mediar la disminución en la ingesta de alimentos mediada por el GLP-1. El núcleo del tracto solitario (NTS)  ha sido sugerido como el principal sitio de acción  del GLP-1. Esto podría significar que el GLP-1 central producido exclusivamente en el NTS puede actuar sobre el GLP-1R en el mismo núcleo. Esta asa de retroalimentación local  puede jugar roles definidos en la saciedad, pero esto es sólo parte de un proceso integrado  que también involucra a otra áreas del cerebro.  Las neuronas GLP-1 del NTS se proyectan ampliamente en el cerebro por lo que esta respuesta podría ser mediada por múltiples circuitos neurales. Por ejemplo, las neuronas GLP-1 del NTS tienen proyecciones hacia las neuronas del núcleo paraventricular con acción anorexigénica y que expresan GLP-1R como las neuronas OT (oxitocina) y CRH (hormona liberadora de corticotropina). Esto sugiere que las células del NTS que producen GLP-1  pueden actuar sobre la ingesta de alimentos a través  de las células OT. El GLP-1 también activa al eje hipotálamo-hipófisis-adrenal a través de las neuronas CRH. Entonces, la disminución de la ingesta de alimentos  por el GLP-1 puede ser mediada, al menos parcialmente, por la activación del sistema estrés.  Las neuronas GLP-1 en el NTS también se proyectan directamente al área tegmental ventral y al núcleo accumbens, estructuras involucradas en el sistema recompensa y que también expresan GLP-1R. Datos recientes sugieren un rol para el GLP-1 endógeno en estas estructuras nerviosas para la mediación de la saciedad y que este efecto puede ser debido a modificación de la señal recompensa.

En conclusión, el efecto del IGF-1 sobre la saciedad puede involucrar reflejos entero-entéricos y mecanismos de señalización  central que median cambios en el apetito y promueven la saciedad.

Fuente: Dailey MJ y Moran TH (2013). Glucagon-like peptide 1 and appetite. Trends in Endocrinology and Metabolism 24: 85-91.

El glucagón en el estrés y el balance energético

Las respuestas fisiológicas y conductuales al estrés agudo resultan de la activación  de rutas neurales y hormonales en reacción a la presencia  de una variedad de estímulos adversos. Los diferentes estresores físicos desencadenan una serie común de repuestas fisiológicas adaptativas. Las hormonas del estrés mejor conocidas son los glucocorticoides y las catecolaminas, porque son liberadas en el contexto de estrés y median elementos de una respuesta adaptativa a él. Sin embargo, el glucagón también encaja con  esta definición, además de su papel protector contra la hipoglucemia, otra importante forma de estrés. La liberación de glucagón aumenta considerablemente en muchas formas fisiológicas de estrés en las que la hipoglucemia no es una característica. La hiperglucagonemia produce respuestas fisiológicas y conductuales como el incremento en la disponibilidad  de sustratos y mejorías en el rendimiento cardiovascular que son características de la respuesta al estrés.

Grandes elevaciones en el glucagón plasmático se han observado en modelos animales  inmediatamente después de la aplicación aguda de un estresor. La hiperglucagonemia también ha sido reconocida  en pacientes bajo diferentes estados  de estrés como trauma, quemaduras, cirugía, sepsis, hemorragia, infarto del miocardio, paro cardiaco e hipoxia. En todos estos escenarios patológicos, sorprendentemente, la hipoglucemia no es el disparador primario  de la secreción de glucagón. Los receptores adrenérgicos α₁ y β están presentes en las células α del páncreas y, cuando son estimulados, inducen la secreción de glucagón. Este efecto ocurre con concentraciones plasmáticas de glucosa que ordinariamente podrían inhibir la liberación de glucagón. Esta ruta podría ser activada durante el estrés por la inervación simpática  de los islotes pancreáticos o a través de una respuesta a las catecolaminas circulantes. La evidencia disponible sugiere que la regulación neural  puede ser la responsable. Así, por ejemplo, la hiperglucagonemia que resulta  de la estimulación del nervio esplácnico  en animales adrenalectomizados es atenuada significativamente por la desnervación selectiva del páncreas. Por otra parte,  existen proyecciones directas entre los núcleos hipotalámicos sensores del estrés y el páncreas. La estimulación del núcleo ventromedial del hipotálamo en el estrés provoca la liberación de glucagón, mientras que las lesiones  de la misma área  la inhiben,  y el efecto persiste después de la adrenalectomía. La implicación es que la inervación simpática de los islotes es la influencia primaria que controla la liberación de glucagón. Sin embargo,  a pesar de esta base anatómica y fisiológica  de la liberación de glucagón a través de la activación simpática generalizada durante el estrés,  son muy pocos los estudios realizados bajo condiciones de estrés no hipoglucémico para examinar esta hipótesis. En perros, los nervios autónomos pancreáticos son responsables  de la liberación de glucagón en el estrés neuroglucopénico pero no en el estrés hipotensivo o hipóxico. Por otro lado, el estrés inducido por el ejercicio provoca secreción persistente de glucagón en ratas adrenalectomizadas pero no en las ratas simpatectomizadas. Por tanto, actualmente no está definitivamente demostrado  si los mecanismos neurales  o sistémicos son los responsables primarios de la liberación de glucagón en el estrés agudo.

Ahora bien,  así  como las catecolaminas estimulan la secreción de glucagón,  éste también estimula la secreción de catecolaminas. El glucagón además tiene la capacidad de estimular la liberación de cortisol inducida por la ACTH. Entonces, independientemente de cualquier efecto directo, el glucagón es capaz de aumentar indirectamente la respuesta al estrés agudo a través de otras hormonas del estrés. Sin embargo, la amplia expresión del receptor de glucagón en hígado, riñón, tejido adiposo, páncreas, corazón, cerebro, tracto gastrointestinal y glándulas suprarrenales sugiere que la hormona es más que un intermediario en una respuesta dominada por las catecolaminas.

El efecto mejor caracterizado del glucagón es el incremento de la salida de glucosa en el hígado a través de la estimulación de la glucogenolisis, lo cual es crítico  en la protección contra la hipoglucemia. El incremento en la disponibilidad de glucosa es también una respuesta adaptativa. El mecanismo celular involucra la unión del glucagón a su receptor acoplado a proteína G en los hepatocitos lo que conlleva a la activación de la adenil ciclasa y a la inhibición de la fofodiesterasa, produciéndose un aumento del AMPc intracelular y consecuentemente un incremento en la actividad de la fosforilasa de glucógeno a través de la activación de la proteína quinasa A. El efecto hiperglucémico del glucagón es independiente de las otras hormonas del estrés. Sin embargo, es posible la sinergia del glucagón con las otras hormonas del estrés. Por ejemplo, el glucagón en dosis bajas puede potenciar la salida de glucosa en el hígado en respuesta a la adrenalina o facilitar un incremento en la gluconeogénesis inducida por el cortisol.

El glucagón tiene efectos inotrópico y cronotrópico positivos en el miocardio. El efecto se nota a los pocos minutos  de la administración de glucagón y no es abolido por el bloqueo de la inervación simpática, lo que sugiere una acción específica del glucagón sobre el corazón independiente de la inervación simpática. El receptor de glucagón es expresado en los miocitos cardiacos, donde facilita un incremento en la contractilidad a través del aumento de la producción de AMPc y la consiguiente liberación de Ca²⁺. Los elevados niveles de glucagón requeridos  ha sido usado como argumento para   proponer que los efectos cardiacos  podrían ser farmacológicos más que fisiológicos. Sin embargo, el estrés agudo  puede producir concentraciones plasmáticas de glucagón considerablemente mayores  que las observadas durante el ayuno (500 pmol/l) y aproximadamente similares a las usadas experimentalmente para examinar el efecto del glucagón sobre el corazón perfundido (1000 pmol/l). Por otro lado, los niveles fisiológicos de glucagón (100 pmol/l) facilitan la captación de glucosa en el miocardio, lo que  sugiere que el glucagón tiene un papel clave  en la regulación de la función cardiaca.

El glucagón genera un balance energético negativo neto a través de una reducción en la ingesta de alimentos  y un incremento en el gasto de energía. Tales respuestas podrían parecer una mala adaptación tomando en cuenta que el rol primario del glucagón  es aumentar  la glucosa sanguínea. Sin embargo,  pueden ser vistas como respuestas adaptativas  en el contexto de ciertas situaciones estresantes como la exposición al frío extremo o las infecciones  en las que la generación de calor podría ser beneficiosa. El glucagón inhibe la ingesta de alimentos debido primariamente a un efecto sobre la saciedad pero no se pueden descartar otros aspectos de la conducta alimenticia como la frecuencia de las comidas y la tasa de ingestión de los alimentos. El mecanismo por el cual el glucagón reduce la ingesta de alimentos es aún  incompletamente entendido. Un efecto podría ser  el retardo  del vaciamiento gástrico o a través de un mecanismo mediado centralmente.  

La secreción de glucagón es provocada por la aclimatación al frío. En este punto, el rol adaptativo del glucagón  ha sido sugerido por las observaciones   repetidas de que el glucagón es termogénico e incrementa el consumo de oxígeno cuando es administrado exógenamente. El proceso fisiológico que subyace a estos cambios no ha sido establecido de una manera concluyente. No obstante, se ha propuesto  que podrían ocurrir por un incremento en la termogénesis por el tejido adiposo marrón. Los receptores de glucagón están presente en el tejido adiposo marrón y la evidencia disponible incluye incrementos en la temperatura y el flujo sanguíneo del tejido adiposo marrón en el contexto de un incremento de la tasa metabólica después de la administración de glucagón. Por el contrario, otros datos sugieren que los efectos observados  son mediados indirectamente  a través de las catecolaminas.  

Fuente: Jones BJ et al (2012). Glucagon in stress and energy homeostasis. Endocrinology 153: 1049-1054.

Efectos fisiológicos del péptido C

El péptido C (31 aminoácidos), descubierto en 1967,  es secretado por las células β del páncreas  en concentraciones equimolares con la insulina. Desde mediados de los años 70s del siglo XX, el péptido C ha sido usado  como un indicador de la función de las células β del páncreas. Por otra parte, diversos estudios han demostrado que el tratamiento con péptido C en concentraciones fisiológicas resulta en mejoras significativas de varias anormalidades funcionales inducidas por la diabetes. Estos hallazgos han  propiciado un mayor interés  en la fisiología del péptido C y la información disponible actualmente incluye estudios de la interacción del péptido con las membranas celulares y sus propiedades de señalización intracelular. Estudios in vivo en modelos animales de diabetes tipo1 han definido una influencia beneficiosa del péptido C en las anormalidades funcionales y estructurales de riñón, vasos sanguíneos, nervios periféricos y sistema nervioso central.

La unión específica del péptido C a varios tipos de células humanas ha sido descrita por varios investigadores. La saturación completa de la unión del péptido C ocurrió con una concentración de 0.9 mmol/L; este hallazgo es consistente   con la noción  de que en concentraciones fisiológicas  todos los sitios de unión  son completamente ocupados por el péptido. En consecuencia, en sujetos sanos con niveles normales  de péptido C no se presenta una respuesta mayor después de la administración  de péptido C exógeno. La estructura de la membrana celular con la que interactúa el péptido C depende de la función de un receptor acoplado a proteína G. Varios estudios han reportado la internalización  del péptido C después de su unión a la membrana celular. En humanos, la internalización del péptido C ha sido demostrada en células endoteliales de  aorta y músculo liso de arteria umbilical con localización inicial en endosomas antes de ser degradado en los lisosomas.  Un hallazgo adicional del péptido C intracelular  es su localización  en el nucléolo, donde promueve la transcripción de genes que codifican ARN ribosomal.  Estas observaciones proporcionan un mecanismo por el cual el péptido C puede ejercer efectos transcripcionales y los hallazgos demuestran que el péptido puede ejercer actividad como factor de crecimiento.

Una variedad de tipos de células responden al péptido C con la activación de rutas de señalización intracelular específicas. La interacción del péptido C con las membranas celulares es acompañada por la activación  de una proteína G. Posteriormente, hay entrada de Ca²⁺ y activación de la isoforma endotelial de la sintetasa de óxido nítrico  (eNOS) con formación de NO. La fosfolipasa C (PLC) y varias isoformas de la proteína quinasa C (PKC) también son activadas así como  uno o varios componentes del  sistema de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK), frecuentemente involucrados en la traslocación de moléculas del citoplasma al núcleo. Como resultado, hay activación e inducción de la Na⁺K⁺-ATPasa y expresión de varios de factores  de transcripción. También es activada la fosfatidilnositol 3-quiinasa γ (PI3Kγ) dando origen a la actividad transcripcional mediada por el receptor activado por el proliferador de peroxisoma γ (PPAR-γ). Adicionalmente, hay evidencia de que el péptido C puede interactuar sinérgicamente  con la ruta de señalización de la insulina a nivel del receptor de insulina. El péptido C activa al receptor de insulina y la fosforilación del sustrato del receptor de insulina 1 (IRS-1) favoreciendo la movilización de los glucotransportadores (GLUT), la captación de aminoácidos y la síntesis de glucógeno.

La inflamación es un factor  que contribuye al daño vascular en los pacientes con  diabetes y el péptido C tiene múltiples efectos sobre el proceso inflamatorio. Un evento temprano en el desarrollo del daño vascular relacionado con la diabetes es la adhesión de los leucocitos circulantes  a la célula endotelial y su migración en la pared del vaso. El péptido C reduce la expresión de moléculas de adhesión (por ejemplo, selectina-P, molécula de adhesión intercelular 1 y molécula de adhesión vascular 1) en la superficie de la célula endotelial. De esta manera, el péptido C puede atenuar la interacción leucocito-endotelio. Una etapa posterior en el desarrollo de las lesiones vasculares es la secreción de quimioquinas que inducen la adhesión de los   leucocitos y su migración en la pared vascular. En este punto, el péptido C reduce la secreción de las interleuquinas 6 y 8 (IL 6, 8) y de la proteína quimioatrayente de monocitos mediante la supresión de la translocación nuclear del NF-κB en las células endoteliales y en los monocitos. La activación del NF-κB también es capaz de acelerar la apoptosis de células endoteliales. Otra etapa importante en la formación de la ateroesclerosis es la proliferación y migración  de células de músculo liso vascular inducida por la hiperglucemia o la hiperinsulinemia. Aquí, el péptido C en concentraciones fisiológicas ejerce un efecto protector contra la migración de esas células. Más específicamente, el péptido C es capaz de prevenir la formación  de neoíntima a través de un efecto inhibitorio sobre  el SREBF-1.Sin embargo, algunos estudios reportan evidencia contrastante que sugiere que los niveles elevados de péptido C pueden estimular la proliferación de células de músculo liso arterial e inducir actividad quimiotáctica similar al efecto de las quimioquinas conocidas.  En resumen, el péptido C es capaz  de antagonizar la expresión de moléculas de adhesión, la secreción de citoquinas inflamatorias y la exposición de leucocitos en las células endoteliales.

La disfunción endotelial  y la circulación microvascular comprometida  son denominadores comunes  en el desarrollo de las complicaciones microvasculares de la diabetes tipo1. La liberación disminuida de NO en el endotelio vascular y alteración de la reología sanguínea  que disminuye la deformabilidad de los eritrocitos son factores que contribuyen a la alteración de la microcirculación. Ambos factores son influenciados por el péptido C.  Concentraciones fisiológicas del péptido activan e inducen la eNOS y aumentan la liberación de NO de las células endoteliales. Adicionalmente, el péptido C reduce o normaliza la anormalidad de la elasticidad del eritrocito que caracteriza a la diabetes tipo1.  La deformabilidad del eritrocito es mejorada por el péptido C a través del aumento de la actividad de la Na⁺ K⁺ ATPasa. La interacción entre el  péptido C y los eritrocitos, además del efecto beneficioso sobre la deformabilidad,  produce en el eritrocito incremento de la captación de glucosa y liberación de ATP. La liberación intravascular de ATP  estimula la síntesis de NO en las células endoteliales vía señalización de receptores purinérgicos  con la consiguiente dilatación de los vasos de resistencia,  por relajación de las células de músculo liso,  y el incremento  del flujo sanguíneo regional. 

Los signos iniciales de la nefropatía diabética incluyen la hiperfiltración glomerular y el agrandamiento de los glomérulos, primariamente como resultado  de la expansión de la matriz mesangial y la pérdida de albumina por la orina. Un buen número de estudios sugieren que el péptido C lleva a cabo efectos beneficiosos sobre los diferentes aspectos de la disfunción renal relacionada con la diabetes. Los efectos del péptido C en el estado diabético son diferentes de los observados  en condiciones de normoglucemia y representan una influencia inhibitoria más que estimuladora sobre la eNOS arteriolar y la Na⁺ K⁺ ATPasa glomerular y tubular. Este hallazgo ayuda a explicar la reducción de la hiperfiltración glomerular y la disminución de la excreción urinaria de albúmina en el estado diabético. El incremento en el volumen de la matriz mesangial  es inhibido por el péptido C que antagoniza los efectos de la citoquina profibrótica   TGF-β1 y la apoptosis inducida por el TNF-α.

La neuropatía periférica diabética, la complicación más común de la diabetes, se manifiesta como una pérdida sensorial en las extremidades con severas implicaciones  que potencialmente llevan a la ulceración del pie. El péptido C tiene la capacidad para mejorar la función nerviosa y prevenir o revertir el desarrollo de los cambios  estructurales del nervio. Los efectos del péptido C sobre las anormalidades que subyacen a la naturaleza progresiva de la neuropatía periférica diabética han sido estudiados en modelos animales de diabetes tipo1. La disminución de la actividad Na⁺K⁺-ATPasa y de la producción de NO son las anormalidades metabólicas claves responsables de la reducción de la velocidad de conducción del nervio. El defecto en la Na⁺K⁺ -ATPasa influye en la permeabilidad del Na⁺ en el nodo de  Ranvier, lo que resulta en potenciales transmembrana disminuidos, acumulación de Na⁺ intra-axonal y disminución de la velocidad de conducción. Otro mecanismo implicado en el enlentecimiento de la conducción nerviosa es la disminución del flujo sanguíneo endoneural  como resultado de la reducción en la liberación  endotelial de NO. La terapia de reemplazo con péptido C restaura  la actividad Na⁺K⁺-ATPasa y mejora la disponibilidad de NO con el consiguiente efecto beneficioso sobre el flujo sanguíneo endoneural y la velocidad de conducción del nervio, aun en presencia de niveles elevados de glucosa. Adicionalmente, el péptido C tiene efectos sobre la regulación de genes a través de  los factores de transcripción  c-jun, c-fos, NF-κB y CREB, lo cual  resulta en la corrección de varios factores neurotróficos y sus receptores como el IGF-I, el factor de crecimiento del nervio (NGF), la neurotrofina 3 y el receptor de insulina.

Fuente: Wahren J et al (2012). The clinical potential of C-peptide replacement in type 1 diabetes. Diabetes 61: 761-772.  

Los receptores adrenérgicos y  la homeostasis de la glucosa

Los niveles sanguíneos  de glucosa  son controlados por múltiples mecanismos homeostáticos que incluyen componentes endocrinos  y neurales.  Los determinantes centrales de la glucemia provienen de procesos metabólicos postprandiales y estimulados por el ayuno. En el ayuno,  mecanismos catabólicos (por ejemplo,  la glucogenolisis) y  anabólicos (por ejemplo, la gluconeogénesis), colectivamente conocidos como producción hepática de glucosa   son imperativos para mantener la normoglucemia. Los niveles postprandiales  de la glucemia son regulados primariamente a través de la secreción pancreática de insulina.

La glucorregulación es mantenida por la acción coordinada de la insulina  y los sistemas nerviosos central y periférico. Para facilitar este proceso, el sistema nervioso autónomo involuntariamente controla la contracción del músculo liso y la secreción del tejido glandular  a través de la acción concertada de las divisiones simpática y parasimpática. El sistema simpatoadrenal estimula la secreción de catecolaminas, una de las rutas más eficientes para inducir la elevación rápida  de la glucemia. Las catecolaminas endógenas (adrenalina y noradrenalina) contrarrestan las respuestas mediadas por la insulina a través de la estimulación  de distintos receptores adrenérgicos. Estos receptores acoplados a proteína G median las acciones de las catecolaminas para ejercer efectos glucémicos en una diversidad de células blanco.   Desde 1948 se conoce la existencia de dos tipos de receptores adrenérgicos farmacológicamente distintos: α y β. Este concepto fundamental ha sido apoyado  por una serie de estudios in vivo e in vitro que han demostrado  que los receptores adrenérgicos varían considerablemente en su potencia catecolamina.  En el presente, los receptores adrenérgicos se clasifican en  tres subtipos α₁ (α_1A, α_1B, α_1D), tres subtipos α₂ (α_2A, α_2B, α_2C) y tres subtipos β (β₁, β₂, _β3). Estos subtipos controlan un amplio rango de funciones atribuidas a la homeostasis de la glucosa. El efecto de las catecolaminas sobre la regulación de la homeostasis de la glucosa depende fuertemente  del subtipo de receptor adrenérgico y la célula blanco que forman parte de la ruta efectora.

Los receptores adrenérgicos α₁ son expresados en muchos órganos del cuerpo (cerebro, corazón, vasos sanguíneos, hígado, músculo, tejido adiposo y tracto urogenital) y modulan muchos componentes de la neurotransmisión, la vasoconstricción, la producción hepática de glucosa y la captación periférica de glucosa. En la mayoría de tejidos, la señal de transducción inducida por las catecolaminas en los tres subtipos de receptores α₁ incrementa la producción de inositol 1,4.5 trifosfato y la liberación de Ca²⁺, lo cual activa rutas de transcripción secundarias que  involucran a la proteína quinasa C. Los receptores α₁ elevan la glucemia porque incrementan la producción hepática de glucosa y disminuyen la captación de glucosa. La estimulación de los tres subtipos α₁ vasculares incrementa el tono de los vasos sanguíneos con efectos predominantes α_1A (mesentéricos y renales) y α_1D  (aorta y carótida) que facilita la disminución del aporte sanguíneo y por tanto disminuye la captación  de glucosa en tejidos periféricos. Sin embargo, estudios clínicos in vivo han demostrado que los receptores α_1A de músculo esquelético y adipocitos incrementan  la captación de glucosa independiente de insulina  en esos tejidos, lo cual podría disminuir  la glucemia.

La evidencia acumulada indica que los receptores adrenérgicos α₂ constituyen uno de los reguladores más importantes de la homeostasis de la glucosa. La respuesta clásica de la activación de los receptores α₂ involucra la inhibición de la producción de AMPc  y de los canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje. Sin embargo, la respuesta celular final dependerá del órgano en cuestión y puede ser tanto inhibitoria como estimuladora.  La activación de los receptores α₂ aumenta los niveles sanguíneos de glucosa porque en el páncreas produce inhibición de la secreción de insulina en las células β mientras aumenta la secreción de glucagón en las células α. Los receptores α_2A son los responsables primarios tanto de la inhibición de la secreción de insulina  como del incremento de la secreción de glucagón. Por otro lado, la estimulación de los receptores α_2A puede llevar a la disminución de la glucemia porque promueve una disminución de la lipólisis en el tejido adiposo y esto, en teoría podría disminuir el aporte de glicerol para  la gluconeogénesis hepática. Los receptores α₂ también son expresados en  el sitio de la sinapsis entre el terminal nervioso simpático preganglionar y la médula suprarrenal y su activación disminuye la liberación de catecolaminas, lo cual podría disminuir los niveles sanguíneos de glucosa. Estudios recientes han demostrado que los receptores α_2C median la autoinhibición de la secreción de catecolaminas en la médula suprarrenal de ratones.

Los receptores adrenérgicos β₁ tienen su mayor expresión en los miocitos cardiacos y funcionan regulando los efectos cronotrópicos e inotrópicos del corazón. Sin embargo, la presencia de estos receptores en otros órganos ha sido documentada, especialmente en tejidos sensibles a la insulina como tejido adiposo, riñón e hígado y pueden contribuir en la regulación de la homeostasis de la glucosa. En general, después de la activación de los receptores β  (β₁, β₂, β₃) la secuencia de transducción incluye  la conversión de ATP en AMPc, lo cual activa proteínas quinasas que generan diversos efectos fisiológicos. La activación de los receptores β₁ en las células yuxtaglomerulares del riñón aumenta la actividad  del sistema renina-angiotensina, lo cual provoca defectos en la señal de la insulina con la consiguiente hiperglucemia. Asimismo, la activación de receptores β₁ incrementa la actividad lipolítica en el tejido adiposo  por  lo que a largo plazo podría aumentar la gluconeogénesis hepática. En el corazón, la utilización de la glucosa y la glucogenolisis aumentan significativamente durante la estimulación de los receptores β₁, lo cual podría tener un efecto anti-glucémico.

De todos los receptores adrenérgicos, el subtipo β₂ es el más involucrado en la regulación simpatoadrenal de la homeostasis de la glucosa. Dada su amplia expresión  en páncreas, hígado, músculo esquelético y tejido adiposo, el incremento de la producción hepática de  glucosa, la inhibición de la captación de glucosa dependiente de insulina en músculo esquelético y tejido adiposo, y el incremento de la lipólisis en músculo esquelético y tejido adiposo son los principales atributos hiperglucemiantes  de la estimulación de  los receptores β₂. Adicionalmente, la activación de los receptores β₂ aumenta la glucemia a través del incremento en la secreción pancreática de glucagón y de la secreción de catecolaminas en las células cromafines de la  médula suprarrenal. Sin embargo, la activación de los receptores β₂ también puede tener efectos anti-glucémicos porque un lado, incrementa la secreción de insulina en las células β del páncreas (aunque la respuesta mediada por receptores α_2A es predominante) y, por otro lado,  produce vasodilatación que favorece la captación de glucosa en los tejidos y también porque incrementa en músculo esquelético la captación de glucosa  independiente de insulina.

El receptor adrenérgico  β₃, identificado en 1989, es abundantemente expresado en vejiga urinaria, intestino, corazón y tejido adiposo. La noradrenalina exhibe una alta afinidad por este receptor, por lo tanto una de las respuestas fisiológicas principales de su estimulación  es la movilización de lípidos del tejido adiposo, lo cual conjuntamente con la estimulación de la liberación de catecolaminas en la médula suprarrenal incrementan los niveles sanguíneos de glucosa.  Por otra parte, efectos anti-hiperglucémicos derivados  de la activación de receptores β3 han sido notados en roedores y los mecanismos consisten en la disminución de la producción hepática de glucosa,  el aumento de la expresión del gen del transportador de glucosa GLUT1 y el incremento  de la captación de glucosa independiente de insulina en músculo esquelético. Otro efecto hipoglucemiante atribuido a los receptores β₃, aunque indirecto, es el incremento en la captación de glucosa por vasodilatación  en tejido adiposo e islotes pancreáticos.

Fuente: Boyda HN et al (2013). Peripheral adrenoceptors: The ímpetus behind glucose dysregulation and insulin resistence. Journal of Neuroendocrinology 26: 217-228.

El rol del sistema nervioso central  en la homeostasis de la glucosa

La glucosa es un tipo específico de energía y el término homeostasis de la glucosa se refiere a los elementos hormonales y neurales que específicamente controlan  la producción y el uso de  glucosa. Los procesos metabólicos que contribuyen directamente a la producción hepática de glucosa son la glucogenolisis y la gluconeogénesis. El balance entre estos procesos varía con el estatus y la necesidad de nutrientes. Por ejemplo, durante el ayuno, la glucogenolisis hepática disminuye en la medida que los depósitos de glucógeno son depletados. Mientras tanto, la gluconeogénesis aumenta con el aporte de precursores de glucosa al hígado. Las señales hormonales y neurales regulan la producción hepática de glucosa  y la captación de glucosa por los tejidos, de manera que los niveles sanguíneos de glucosa se mantienen estables  a través de un amplio rango  de condiciones fisiológicas. En otras palabras, la homeostasis de la glucosa mantiene la glucemia dentro de un rango relativamente pequeño (70-110 mg/dl), aún en situaciones fisiológicamente extremas  como el ayuno y el ejercicio intenso. Generalmente, la homeostasis energética y la homeostasis de la glucosa tienen el mismo objetivo, esto es, asegurar un flujo de nutrientes adecuado a los tejidos. Los datos recientes sugieren que los dos   sistemas homeostáticos interactúan en el sistema nervioso central, poblaciones de neuronas en el hipotálamo identificadas como cruciales para la regulación  del balance energético son también esenciales para la regulación de la homeostasis de la glucosa.

Para mantener el balance energético,  el sistema nervioso central recibe señales hormonales (insulina y leptina, por ejemplo) que reflejan la disponibilidad de los depósitos de energía en el tejido adiposo y señales de nutrientes que reflejan la disponibilidad aguda  de estos compuestos. Estas señales son procesadas en numerosos núcleos  cerebrales, de los cuales el mejor estudiado es el sistema melanocortina en el núcleo arcuato del hipotálamo.  Este sistema comprende dos poblaciones de neuronas  y sus blancos correspondientes.  Una de las poblaciones neuronales expresa el péptido pro-opiomelanocortina (POMC),  precursor del agonista de los receptores de melanocortina tipo 4 (MC4R),  la hormona estimulante de melanocitos α (α-MSH). La otra población de neuronas expresa  neuropéptido Y (NPY) y proteína relaciona con el agouti (AgRP), antagonista/agonista inverso de los MC4Rs. Estas dos poblaciones de neuronas tienen efectos opuestos sobre la ingesta de alimentos y el peso corporal; la activación de las neuronas POMC provoca  disminución de la ingesta de alimentos y pérdida  de peso, mientras que la activación  de las neuronas NPY/AgRP provoca aumento de la ingesta de alimentos y ganancia de peso.  Los efectos de la activación  de estas neuronas son mediados por los receptores MC4R y NPYR localizados  en otras áreas del hipotálamo como el núcleo paraventricular (PVN), el hipotálamo ventromedial (VMH) y el hipotálamo lateral, por ejemplo.  Los receptores de insulina (IR) y de leptina (OBR o LEPR) son expresados en las poblaciones de neuronas POMC y NPY/AgRP y son necesarios para la regulación normal del peso corporal. Las acciones catabólicas de las dos hormonas son mediadas en parte incrementando la expresión de POMC y simultáneamente reduciendo la expresión  de NPY y AgRP. Algunos aminoácidos (por ejemplo, leucina), la glucosa y los ácidos grasos también regulan la actividad de las neuronas POMC y NPY/AgRP.

La leptina actúa sobre las neuronas POMC y el efecto de estas acciones sobre la producción hepática de glucosa es mediado parcialmente por receptores MC4R en sitios extra-arcuato (por ejemplo, el núcleo paraventricular). La insulina actúa sobre las neuronas NPY/AgRP y al menos parcialmente sobre las neuronas POMC para regular la producción hepática de glucosa; este efecto es independiente de MC4Rs. Las acciones de leptina e insulina sobre las neuronas POMC tienen efectos aditivos sobre la regulación  de la producción hepática de glucosa; posiblemente debido a que actúan sobre diferentes poblaciones de neuronas POMC en el núcleo arcuato. Adicionalmente, las acciones de la insulina sobre una población de  neuronas diferente de las poblaciones POMC y NPY/AgRP resultan en la activación de canales de K⁺ sensibles al ATP (K_ATP), el blanco de rapamicina en los mamíferos (mTOR) y el receptor activado por el proliferador de peroxisomas-γ (PPAR-γ) para regular la producción hepática de glucosa. La leptina actúa sobre el PPAR-γ para regular la ingesta de alimentos  pero no se conoce si esta ruta  también regula la homeostasis de la glucosa. En resumen, las señales de leptina e insulina en el núcleo arcuato influyen en la producción hepática de glucosa  a través de sus acciones sobre las neuronas POMC y NPY/AgRP. Por otra parte, los MC4Rs están involucrados en la regulación de la homeostasis de la glucosa inducida por  leptina pero no en la inducida por insulina.

Los nutrientes circulantes (especialmente glucosa, leucina y ácidos grasos) actúan sobre el hipotálamo para influir en la homeostasis de la glucosa alterando la expresión  de péptidos y/o la actividad neuronal. Los nutrientes usan diversos receptores y rutas de señalización. El metabolismo de glucosa y leucina, vía  glucólísis  y ciclo de Krebs, incrementa los niveles intracelulares de ATP. En el hipotálamo, esto provoca la inhibición  de la proteína quinasa activada por AMP (AMPK), la activación de mTOR y la activación de canales K_ATP en las neuronas. Los ácidos grasos actúan como ligandos del PPAR-γ hipòtalámico, y su  activación  reduce la producción hepática de glucosa, posiblemente modulando los niveles de especies reactivos de oxígeno (ROS) en las neuronas hipotalámicas, lo cual a su vez modula la actividad  de las neuronas NPY/AgRP y POMC.

Los canales K_ATP, la AMPK y el mTOR son sensores generales de combustibles que detectan los cambios en el estatus energético vía cambios en los niveles de ATP. Estas rutas sensoras de combustibles responden a los cambios agudos (por ejemplo, comidas) en el estatus de combustibles más que a los cambios de larga duración (por ejemplo, adiposidad). Los canales K_ATP constituyen una ruta común a través de los cuales diferentes tipos de nutrientes regulan la homeostasis de la glucosa. Los canales K_ATP responden a los cambios  celulares de los niveles de ATP y están localizados  en diferentes poblaciones de neuronas hipotalámicas. La despolarización de estos canales produce la activación neuronal y los efectos de la despolarización varían según las neuronas activadas. Por ejemplo, la despolarización de canales K_ATP en el núcleo arcuato produce un incremento en la producción hepática de glucosa, mientras que la despolarización de canales K_ATP en las neuronas que liberan hormona concentrante de melanina del hipotálamo lateral inhibe la producción hepática de glucosa. Los canales K_ATP del núcleo arcuato no tienen ningún rol en la regulación de la homeostasis de energía. Estos datos sugieren que los canales K_ATP son sólo un aspecto de las señales de nutrientes que regulan la homeostasis de la glucosa.

Otras dos rutas de señalización dependientes de ATP involucran a la AMPK y al mTOR. AMPK y mTOR son rutas de señalización intracelular que responden a los cambios en los niveles de ATP.  En el hipotálamo, las rutas de señalización AMPK y mTOR regulan la expresión de NPY, AgRP y POMC. En todas las células, el nivel de AMPK activada incrementa en respuesta a la depleción de ATP. El rol de la AMPK en la homeostasis de la glucosa es poco claro  por su efecto en la regulación del peso corporal. El mTOR es una quinasa expresada en la mayoría de células eucariotas. La ruta mTOR es activada por los niveles elevados de ATP generados como resultado de excesos de nutrientes o las acciones de hormonas anabólicas como la insulina. El mTOR hipotalámico (primariamente en el núcleo arcuato) regula la homeostasis de energía y la homeostasis de la glucosa en direcciones  opuestas. La ruta mTOR probablemente regula la homeostasis de la glucosa de una manera compleja que es dependiente de la dieta y el tiempo de exposición  a esa dieta.

Las poblaciones de neuronas fuera del núcleo arcuato tienen roles importantes en la regulación de la homeostasis de la glucosa. Estas incluyen  neuronas del hipotálamo ventromediaal que expresan al factor de transcripción  SF1 (factor esteroidogénico 1). Las neuronas SF1 expresan IRs y OBRs, Sin embargo, algunas neuronas SF1 que responden a la insulina no responden a la leptina, lo que sugiere que los IRs y los OBRs no están siempre colocalizados en las mismas poblaciones neuronales. Por otra parte, los MC4Rs no sólo son expresados en el hipotálamo, ellos también están localizados en el cerebro posterior, una región del sistema nerviosos central que también es esencial en el control de la homeostasis de la glucosa. Los MC4Rs de las neuronas simpáticas del cerebro posterior regulan tanto la homeostasis de energía como la homeostasis de la glucosa. Se desconoce aún si las neuronas POMC del cerebro posterior o del núcleo arcuato son fuentes de ligandos endógenos para los mC4Rs del cerebro posterior.

Fuente: Grayson BE et al (2013). Wired on sugar: the role of the CNS in the regulation of glucose homeostasis. Nature Reviews Neuroscience 14: 24-38.

Los canales TRP y la homeostasis ósea.

La preservación de los niveles normales de Ca²⁺ en la sangre y en el hueso está íntimamente interconectada. Esta situación implica que el esqueleto no sólo depende  de, sino que también participa en, el balance del Ca²⁺ externo. El mantenimiento de la homeostasis  del Ca²⁺ extra e intracelular es crucial para la biología del hueso y depende en gran parte de los canales de Ca^2+.Existen varios tipos de canales de Ca²⁺: (i) receptores de rianodina y receptores de inositoltrifosfato (IP₃R) que median la liberación de Ca²⁺ del retículo endoplásmico; (ii) canales de Ca²⁺ operados  por almacenamiento que median el flujo de Ca²⁺ extracelular al retículo endoplásmico; (iii) canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje (VGCC) que permiten la entrada de Ca²⁺ en la célula despolarizada; (iv) canales de Ca²⁺ activados por estiramiento que median la entrada de Ca²⁺ después de una estimulación mecánica, y (v) la familia de canales de cationes potencial de receptor transitorio (TRP).

La familia TRP consta de 28 miembros con diversas funciones fisiológicas. Sobre la base de su secuencia  se subdividen en seis subfamilias: TRPC (canónica), TRPV (vanilloide), TRPP (policistina), TRPM (melastatina), TRPA (anquirina), y TRPMI (mucolipina). Los miembros de la subfamilia  de canales iónicos TRPV  están involucrados en la homeostasis del Ca²⁺ extracelular y en la señal intracelular de Ca²⁺ en las células óseas. Esta subfamilia consta  de seis miembros, los cuales son proteínas de membrana compuestas de seis dominios transmembrana que forman un poro permeable a cationes. Los canales TRPV1 al 4 son canales de cationes no selectivos, mientras que los TRPV5 y 6 son altamente selectivos de Ca²⁺. Los canales TRPV son activados por una variedad de estímulos. El TRPV1 es activado por el calor, estímulos nocivos, pH bajo, y numerosos compuestos químicos. Los TRPV 2 al 4 son activados por la hipotonicidad aunque también responden al calor  pero con diferentes umbrales.  Los TRPV 5 y 6 se diferencian de los otros  canales   porque no son activados  por el calor sino por la concentración intracelular baja de Ca²⁺. El TRPV1 está presente  en las neuronas periféricas  que inervan al hueso y la señal de Ca²⁺ mediada por el TRPV1 en estas neuronas  tiene una función importante en la sensación de dolor que a menudo acompaña a las metástasis óseas o a la osteoartritis inflamatoria. El TRPV2 es expresado en los osteoclastos y está involucrado en la ruta de entrada de Ca²⁺que media las oscilaciones  de Ca²⁺ en esas células. El TRPV4 está presente en osteoclastos y condrocitos. El TRPV4 está presente en la membrana basolateral  de los osteoclastos y es requerido para la entrada sostenida de Ca²⁺ en los estadios tardíos de la osteoclastogénesis. En los condrocitos, el TRPV4 modula la diferenciación y la señal Ca²⁺ inducida osmóticamente. El TRPV5 media la reabsorción de Ca²⁺ en el riñón y por tanto es importante para el mantenimiento de los niveles sistémicos de Ca²⁺ y la homeostasis ósea. Adicionalmente, el TRPV5 es expresado en los osteoclastos y puede regular la diferenciación y/o función de esas células. El TRPV6 afecta el metabolismo óseo promoviendo el transporte intestinal de Ca²⁺ y es especialmente requerido durante la deprivación de Ca²⁺ en la dieta.

La regulación de la homeostasis del Ca²⁺ sistémico está dirigida a mantener los niveles circulantes de Ca²⁺ dentro de un rango bastante estrecho. La normocalcemia es activada por un complejo sistema endocrino que modula la absorción de Ca²⁺ en el intestino, la secreción neta de Ca²⁺ en el riñón y la deposición/movilización de Ca²⁺ en el hueso. Pequeñas disminuciones en los niveles circulantes de Ca²⁺  disparan la secreción de hormona paratiroidea (PTH) en las glándulas paratiroides. La PTH, a su vez, promueve la producción renal de calcitriol. La acción del calcitriol es clave para asegurar la normocalcemia regulando procesos en diferentes tejidos blanco. El calcitriol aumenta el transporte intestinal de Ca²⁺ y la reabsorción renal de Ca²⁺. Cuando estas adaptaciones son insuficientes para restaurar la normocalcemia, el calcitriol aumenta la reabsorción ósea por los osteoclastos y suprime la mineralización  de la matriz ósea incrementando la expresión   de inhibidores de la mineralización, como la osteopontina y el pirofosfato, por los osteoblastos.

La homeostasis normal del hueso no sólo depende del Ca²⁺ extracelular, sino también de la cascada de señalización del Ca²⁺ intracelular que regula la diferenciación y el funcionamiento  de las células ósea. En los osteoclastos, la diferenciación es iniciada por la activación simultánea del receptor activador del factor nuclear κB (RANK) y del receptor similar a inmunoglobulina (IgLR).  Estas rutas de señalización  inducen la activación de la fosfolipasaCγ que produce IP₃, el cual provoca la liberación de Ca²⁺ del retículo endoplásmico vía IP₃R con la subsiguiente formación de oscilaciones de Ca²⁺. Hallazgos recientes sugieren que el canal TRPV2 es una de las rutas de entrada de Ca²⁺ que también contribuye a las oscilaciones de Ca²⁺.  Las oscilaciones de Ca²⁺ activan  proteínas dependientes de Ca²⁺/calmodulina como la fosfatasa calcineurina  y las proteínas quinasas dependientes de calmodulina (CaMK). La calcineurinafosforila al factor de transcripción NFATc1 (factor nuclear  de célula T activada) que se traslada al núcleo e incrementa la transcripción de genes específicos de los osteoclastos. El NFATc1 es el principal regulador de la diferenciación de los osteoclastos.  La señal Ca²⁺/calmodulina también activa la ruta CREB (proteína de unión al elemento de respuesta al AMPc) mediada por CaMK, la cual en cooperación con el NAFTc1 incrementa la expresión de genes específicos de los osteoclastos. Adicionalmente, la CREB induce al complejo AP1 (proteína activadora) que contribuye a la autoamplificación  de NFATc1. Entonces, las oscilaciones de Ca²⁺ inducidas por Rank e IgLR son cruciales en la iniciación de la osteoclastogénesis  promoviendo la actividad de NAFTc1 y CREB. En los estadios tardíos de la diferenciación las oscilaciones de Ca²⁺  desaparecen y son remplazadas por una entrada sostenida de Ca²⁺  que es mediada predominantemente por el TRPV4 aunque el TRPV5 también podría  participar. Las oscilaciones de Ca²⁺ y la entrada sostenida de Ca²⁺ son necesarias para la diferenciación de los osteoclastos mediada por el NAFTc1. El TRPV4 también influye en la migración y fusión de los osteoclastos a través de los efectos de la señal Ca²⁺/calmodulina sobre la miosinaIIa.

Los osteoblastos expresan diferentes familias de  canales de Ca²⁺, entre ellos, los operados por almacenamiento,  los activados por estiramiento, los VGCCs y el TRPV6. Los VGCCs son importantes  para el funcionamiento de los osteoblastos y más específicamente para la propagación de las ondas de Ca²⁺ a través de los osteoblastos vecinos cuando son estimulados mecánicamente. La respuesta a los estímulos mecánicos involucra la entrada de Ca²⁺a la célula a través de  los VGCCs. Estudios recientes han demostrado que la sensibilidad y la dinámica de las ondas de Ca²⁺ son mayores en los osteoblastos completamente diferenciados, es decir, los osteocitos que son los verdaderos mecanosensores del huesso. Los cambios en las ondas de Ca²⁺ con la diferenciación son atribuidos a los diferentes tipos de VGCCs presentes en los osteoblastos, esto es, tipo L en los osteoblastos y tipo T en los osteocitos. La diferenciación de los osteoblastos requiere de la activación por parte  de la calcineurina de la transcripción de genes mediada por  la señal NAFT.  Sin embargo, las rutas de entrada de Ca²⁺  que median la activación calcineurina/NFAT en los osteoblastos  no son completamente conocidas.

Los condrocitos expresan varios canales de Ca²⁺, entre ellos,  los activados por estiramiento, los VGCCs y el TRPV4, los cuales están involucrados en la diferenciación de los condrocitos y en la osmorespuesta. En primer lugar, la entrada de Ca²⁺ vía canales VGCC tipo L y TRPV4 es requerida para activar la cascada de señalización Ca²⁺/calmodulina que promueve la diferenciación de los condrocitos mediada por SOX9, el principal regulador de la condrogénesis. En segundo lugar, el Ca²⁺ está involucrado  en la propiedad osmosensible de los condrocitos, la cual es esencial para mantener sanas las articulaciones. Los condrocitos articulares están expuestos a grandes variaciones en su ambiente osmótico debido a cambios en el contenido de agua de la matriz del cartílago durante la actividad de la articulación. Los condrocitos responden directamente a este estrés osmótico promoviendo la entrada de Ca²⁺ e incrementando los niveles intracelulares de Ca²⁺ lo cual les  permite llevar a cabo cambios volumétricos. Por ejemplo, el estímulo hipo-osmótico activa la entrada de Ca²⁺ a través de canales TRP4, especialmente a nivel del cilio primario, para incrementa los niveles intracelulares de Ca²⁺,  lo cual es requerido para la disminución de volumen del condrocito.

Fuente: Lieben L y Carmeliet G (2012). The involvement of TRP channels in bone homeostasis. Frontiers in Endocrinology 3: artículo 89.