Glucocorticoides y envejecimiento cardíaco

El envejecimiento se caracteriza por un gradual declive en todas las funciones fisiológicas, una disminución en los mecanismos de reparación, senescencia y eventualmente la muerte. El sistema endocrino es una compleja red que regula virtualmente todos los procesos biológicos del organismo, incluyendo desarrollo, crecimiento, reproducción, metabolismo, presión arterial y respuesta a estresores. El envejecimiento provoca alteraciones significativas en el sistema endocrino y el desbalance en las funciones endocrinas también afecta al proceso de envejecimiento. Por ejemplo, los patrones de secreción de las hormonas producidas por el eje hipotálamo-hipófisis son alterados en adultos mayores así como también la sensibilidad a las hormonas por sus órganos blancos. Por otra parte, el desbalance en la producción de hormonas o las alteraciones en sus asas de retroalimentación negativa acelera el proceso de envejecimiento causando disturbios en el metabolismo, la función cardiovascular y la cognición.

   El envejecimiento está estrechamente  asociado con alteraciones en la función cardiovascular. Los cambios estructurales y funcionales en el corazón y los vasos sanguíneos durante el envejecimiento se caracterizan por rigidez vascular, aumento del grosor de la pared del ventrículo izquierdo, hipertrofia, fibrosis, cambios en la frecuencia cardiaca máxima y alteraciones en la función diastólica del corazón. Los cambios cardiacos relacionados con la edad resultan a partir de alteraciones moleculares en la expresión y función de proteínas involucradas en el mantenimiento de la estructura, la supervivencia, el manejo del calcio, el balance redox y el metabolismo de los cardiomiocitos. Adicionalmente, los cambios en el perfil de células intersticiales cardíacas, incluyendo células endoteliales y fibroblastos, contribuyen a los cambios fenotípicos del corazón envejecido. Aunque estas alteraciones no necesariamente son de naturaleza patológica por sí mismas, incrementan el riesgo de daño cardíaco e insuficiencia cardíaca en la población de adultos mayores. Hay varios factores que exacerban el efecto del envejecimiento y hacen al “corazón viejo” más susceptible de fallar. Por ejemplo, las alteraciones asociadas con el envejecimiento en  rutas inflamatorias y fibrogénicas son exacerbadas  por desbalances metabólicos, los cuales están relacionados con una disminución en la función endocrina.

   La relación entre sistema endocrino, envejecimiento y sistema cardiovascular ha sido ilustrada por el aumento en la incidencia de complicaciones cardiovasculares asociadas con la disminución en la producción de hormonas gonadales.  El riesgo de enfermedad cardíaca en mujeres postmenopáusicas es significativamente mayor que en mujeres más jóvenes. Los estudios sugieren que el incremento en el riesgo de enfermedad cardíaca en mujeres postmenopáusicas está asociado con una disminución en la producción de hormonas ováricas (estrógenos y progesterona). La disminución de la función ovárica se correlaciona con una elevación de las concentraciones plasmáticas de lípidos aterogénicos (lipoproteínas de baja densidad y colesterol total) y una disminución en los niveles de lípidos cardioprotectores (proteínas de alta densidad). En hombres, una disminución en la producción de andrógenos durante el envejecimiento ha sido asociada con mayor riesgo cardiovascular debido a incrementos en la masa grasa y el desarrollo de resistencia a la insulina. Clínicamente, la disminución relacionada con la edad en las hormonas sexuales ha sido considerada una de las asociaciones más significativas entre los sistemas endocrino y cardiovascular. Sin embargo, el envejecimiento influye en otros sistemas endocrinos y estas alteraciones endocrinas, a su vez, influyen en el proceso de envejecimiento. Por ejemplo, con el envejecimiento, la homeostasis de la glucosa es alterada, lo cual incrementa el riesgo de complicaciones metabólicas como diabetes tipo 2 que eleva significativamente el riesgo de enfermedad vascular y cardíaca en la población de adultos mayores. Adicionalmente, el envejecimiento provoca cambios en los niveles de  hormona de crecimiento (HC) y  factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF-1). Las alteraciones en HC e IGF-1 tienen efectos sobre la composición del cuerpo, la fuerza muscular, la densidad ósea y el metabolismo de lípidos, lo cual a su vez contribuye al deterioro de la función cardiaca.

   Los glucocorticoides (GC, cortisol en humanos, corticosterona en roedores) son hormonas esteroides producidos por la zona fasciculada de la corteza adrenal de una manera circadiana y en respuesta al estrés. La secreción de GC es regulada por el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal. La exposición a cambios en el ciclo diario (ritmo circadiano) y/o estresores físicos, psicológicos y ambientales estimula las neuronas parvocelulares del núcleo paraventricular del hipotálamo para la liberación de hormona estimulante de corticotropina (CRH) en la eminencia media en el plexo capilar del sistema porta hipotálamo-hipófisis. La CRH es transportada vía sanguínea al lóbulo anterior de la hipófisis, donde estimula la producción y secreción de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por las células corticotropas. Una vez en la circulación, la ACTH se une a sus receptores (receptores melanocortina 2, MC2R), los cuales son receptores acoplados a proteína G localizados en la membrana plasmática de las células de la corteza adrenal. La unión de la ACTH a los MC2R provoca la activación de la adenil ciclasa y la producción de monofosfato de adenosina cíclico (cAMP). El cAMP dispara la activación de la proteína quinasa A (PKA), la cual fosforila a la proteína de unión a los elementos de respuesta a cAMP (CREB), la cual promueve la expresión de genes esteroidogénicos (miembro B de la subfamilia 11 de la familia de Citocromo p450, CYP11B2, y proteína reguladora de la esteroidogénesis aguda, StAR) que provoca el transporte del colesterol (importado de la sangre en las células corticales vía receptor tipo B clase 1 SARB1) a la mitocondria, donde se lleva a cabo la síntesis de GC (esteroidogénesis) por la acción de enzimas mitocondriales y del  retículo endoplásmico liso.

   Los GC liberados por la corteza adrenal se unen a proteínas plasmáticas, en particular globulinas ligadoras de corticoesteroides (CBG). Aproximadamente 80% de los GC circulantes están unidos a CBG. Los GC son liberados de su unión a proteínas por la acción de las elastasas  de los neutrófilos en los sitios de inflamación. Los GC libres difunden a través de la membrana celular. Los niveles celulares de GC son controlados por dos enzimas que trabajan de manera opuesta: 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 2 (11βHSD2) oxida cortisol en el metabolito inactivo cortisona mientras la 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 1 (11βHSD1) convierte cortisona en cortisol. Una vez en el interior de la célula, los GC se unen a su receptor, el receptor glucocorticoide (GR, NR3C1). El GR es miembro de la familia de receptores nucleares de factores de transcripción activados por ligando y es expresado por todas las células nucleadas del cuerpo. Los GC también se unen al receptor mineralocorticoide (MR, NR3C2), el cual tiene una distribución celular más restringida que el GR. En la mayoría de los tipos de células, debido a la acción de la 11βHSD2, el MR es activado principalmente por la aldosterona. Sin embargo, la ocupación de MR por GC puede ocurrir en algunos tejidos, como el corazón, que son deficientes en 11βHSD2. En el caso de un estresor agudo, el incremento en los niveles de GC y su señal vía GR es beneficiosa y ayuda a restaurar la homeostasis modulando la  respuesta inmune, el metabolismo y la función cardiovascular. Sin embargo, la exposición a estrés crónico o desbalances en la síntesis y secreción de GC (enfermedad de Cushing o enfermedad de Addison) provoca patologías que van desde desórdenes inmunes hasta complicaciones metabólicas o cardiovasculares. Por tanto, en condiciones fisiológicas normales, los niveles de GC son finamente regulados por un asa de retroalimentación negativa a nivel de hipotálamo e hipófisis, la disponibilidad de CBG en la circulación sanguínea y en los tejidos blancos por la acción de 11βHSD1 y 11βHSD2.

   Dependiendo del contexto, los GC pueden ejercer efectos protectores y perjudiciales en el cuerpo. Un incremento agudo de GC en respuesta al estrés es crítico para mantener la homeostasis y la alostasis (supervivencia). Sin embargo, el desbalance en los patrones de secreción y los niveles de GC debido a administración exógena (aumento de niveles de GC) o estados patológicos (sobre producción o deficiencia de GC) puede provocar o acelerar enfermedades, incluyendo complicaciones metabólicas y cardiovasculares, las cuales son comunes en el envejecimiento. Durante el proceso de envejecimiento, los patrones de secreción de GC experimentan varias modificaciones que se caracterizan por alteraciones en su perfil circadiano. Mientras el cortisol aumenta tempranamente durante el día en los jóvenes, un aplanamiento en el ritmo de GC se observa en una subpoblación de adultos mayores, particularmente en aquellos que sufren enfermedad crónica, incluyendo alteraciones cognitivas como enfermedad de Alzheimer. Esta desregulación en el ritmo natural de GC es atribuida a una reducción en la sensibilidad del eje HHA al control por  retroalimentación negativa debida al aumento en el nivel de GC. Sin embargo, no hay una relación causa-efecto establecida entre desregulación del eje HHA y alteraciones cognitivas, demencia, depresión, ansiedad, así como también incremento en el riesgo de enfermedad de Alzheimer, diabetes e hipertensión arterial en la vejez.

   El GR es codificado por el gen NR3C1 localizado en el cromosoma 5 (5q31) en humanos y cromosoma 18 en ratones. El gen GR está compuesto por nueve exones y tres dominios comprenden la proteína GR: (1) un dominio de transactivación amino terminal (NTD) codificado por el exón 2, el cual media algunas interacciones con correguladores y la maquinaria transcripcional; (2) un dominio de unión a ADN (DBD) codificado por los exones 3 y 4, los cuales contienen dos dominios en dedo de zinc en interacciones genómicas; (3) un dominio de unión a ligando (LBD) codificado por los exones 5-9, que contiene una región hidrofóbica para unión del GC y una función de activación (AF2) que interactúa con correguladores transcripcionales. Los dominios DBD y LBD están separados por una región conocida como la región bisagra que está involucrada en la dimerización del receptor. Adicionalmente, hay dos señales de localización nuclear, LN1 y LN2, localizadas en la unión DBD/región bisagra y en LBD, respectivamente. Aunque solamente un gen codifica al GR, el “splicing” alternativo en el exón 9 resulta en dos isoformas del  receptor, GRα y GRβ. El GRα media la mayoría de las acciones fisiológicas  de los GC. Sin embargo, estudios recientes sugieren que el GRβ también puede regular la expresión de numerosos genes involucrados en la inflamación a nivel de transcripción. Además de estas dos isoformas, el GR puede dar origen a tres isoformas adicionales conocidas como GRγ, GR-A y GR-P. Más aún, el GRα puede experimentar una traducción alternativa en el exón 2 provocando la formación de ocho isoformas GR adicionales: GRα-A, GRα-B, GRα-C1, GRα-C2, GRα-C3, GRα-D1, GRα-D2 y GRα-D3. Estas isoformas exhiben patrones de expresión únicos y perfiles reguladores de  genes y juegan un rol importante en las acciones tejido-específicas de los GC.

   El GR inactivo está localizado en el citoplasma formando un complejo con  proteínas chaperonas (hsp90, hsp70  y p23) e inmunofilinas de la familia FK506 (FKBP51 y FKBP52). La unión de la hormona provoca un re-arreglo conformacional en el GR que resulta en la disociación de las proteínas asociadas y la exposición de dos señales de localización nuclear que dispara la translocación rápida del GR al núcleo. En el núcleo, el GR ejerce efectos sobre la expresión de genes blancos a través de la unión directa al ADN o interactuando con otros factores de transcripción (mecanismos genómicos). Adicionalmente, el GR puede actuar vía interacciones proteína-proteína en el citoplasma (mecanismos no genómicos) que provocan respuestas celulares rápidas que disparan la activación de varias quinasas, incluyendo PI3K, AKT y MAPK. Las modificaciones post-traducción (PTM) afectan la actividad transcripcional y fisiológica del GR. Los efectos de la  fosforilación son críticos para las interacciones genómicas y no genómicas del GR, incluyendo la localización celular,  la vida media y la interacción con ADN y co-reguladores. Por otra parte, las PTM incluyendo ubiquitinación, acetilación y sumoilación influyen en la actividad del GR.

   La complejidad y diversidad en las respuestas fisiológicas de los GC son activadas por estas hormonas actuando de manera sexo-específica y tejido-específica y por la activación de MR en células que carecen de 11βHSD2. Al igual que el GR, el MR comprende un NTD que regula la actividad transcripcional, un DBD para interactuar con secuencias genómicas específicas y un LBD que une GC (o aldosterona). El DBD del MR es 94% idéntico al DBD del GR. Por tanto, en respuesta a GC, GR y MR pueden unirse a los mismos elementos de respuesta en el ADN, pero estos receptores tienen distintos efectos transcripcionales sobre los genes blancos.

   Cómo altera el envejecimiento los mecanismos moleculares de la señal GC es aún poco conocido. Un estudio reciente reporta que el tráfico intracelular de GR está alterado en el hipocampo durante el envejecimiento debido a un déficit de proteínas chaperonas, lo cual disminuye la señal GR en esta área del cerebro. Otro estudio demuestra que los niveles de mARN de GR en la corteza cerebral aumentan entre la infancia y la adolescencia y disminuyen entre la adultez y la vejez. Este mismo estudio reporta que los niveles de mARN en el hipocampo se mantienen estables a través de la vida.

   Varios mecanismos contribuyen a la patología vascular en el envejecimiento. El estrés oxidativo (aumento en la producción de sustancias reactivas de oxígeno (ROS), es un contribuyente significativo de la enfermedad arterial coronaria, la isquemia miocárdica en el envejecimiento. Hay fuerte evidencia que la disfunción endotelial causada por ROS provoca alteración de la dilatación de las arterias coronarias y un fenotipo vascular pro-aterogénesis en la vejez a través de la disminución de la producción de óxido nítrico (NO), el cual es un vasodilatador endógeno y una molécula anti-inflamatoria y anti-trombótica. La disminución en la síntesis de NO también es responsable de la vasoconstricción asociada con la edad y la reducción de la perfusión tisular. La biodisponibilidad de NO durante el envejecimiento también es afectada por alteraciones en la activación de la sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS), la concentración de L-arginina y la disminución en la expresión de guanosina trifosfato ciclohidrolasa 1 (GTPCH1), la enzima de la etapa limitante en la producción del cofactor tetrahidrobiopterina (BH4). Los GC ejercen efectos sobre los vasos sanguíneos regulando rutas de señalización involucradas en el desarrollo, la angiogénesis, el estrés oxidativo y la inflamación en células de músculo liso vascular y endoteliales. Entre los efectos de los GC en los vasos sanguíneos está la modulación de la biosíntesis de NO. La producción de NO es elevada en el inicio de la respuesta a los GC, pero sus niveles son reprimidos significativamente en las fases tardías de la respuesta al estrés o en la exposición sostenida a incrementos sistémicos de GC. En ratones, la administración sistémica de GC provoca hipertensión arterial por un mecanismo que involucra la inhibición de los metabolitos de NO, NO2- y NO3- (indicadores de los niveles totales de NO) y la regulación a la baja de la expresión del gen de la NOS III en células endoteliales.

   Los GC, además de los efectos sobre la biosíntesis de NO, pueden incrementar la expresión de receptores de angiotensina II tipo 1 en las células de músculo liso de los vasos afectando la presión sanguínea. Más aún, los GC pueden influir en la entrada de Na⁺ y Ca²⁺ en el músculo liso vascular afectando la contractilidad y, por tanto, provocar alteraciones en la presión sanguínea. Sin embargo, este efecto puede ser mediado por el receptor MR. Adicionalmente, los GC ejercen efectos sobre la regulación del tono vascular inhibiendo la angiogénesis, la proliferación celular, la viabilidad y migración de las células a través de la regulación, vía GR, de la angiogénica trombospondina-1. Los GC también tienen efectos indirectos sobre los vasos sanguíneos a través de sus acciones sobre células inflamatorias que contribuyen a la respuesta y función de las células endoteliales. En el contexto del envejecimiento, el rol de la señal GR sobre los vasos sanguíneos no ha sido muy estudiado o caracterizado. Sin embargo, la señal GR aparentemente influye sobre los vasos envejecidos y, dependiendo del contexto, los efectos pueden ser beneficiosos o perjudiciales.

   Los GC tienen muchos efectos sobre el corazón que dependen del contexto fisiológico (sexo, estado de enfermedad, etc.), tipo y duración del estrés (ambiental, psicológico, agudo o crónico) y mecanismos de señalización (vía GR o MR). Algunos de estos efectos son positivos y esenciales para la vida, mientras otros efectos pueden ser perjudiciales para la salud cardiaca. Los datos clínicos sugieren que la disminución de la señal GR sistémica está asociada con una reducción de la fuerza de contracción cardiaca, disfunción sistólica, enfermedad arterial coronaria, cardiomiopatía dilatada y progresión hacia insuficiencia cardiaca. Asimismo, la sobre actividad de la señal GR tiene efectos negativos sobre el corazón. Por ejemplo, la exposición prenatal a GR debida a incremento en los niveles de estrés durante el embarazo aumenta el riesgo de desarrollar enfermedad cardiaca en la adultez. Adicionalmente, los niveles excesivos de GC por desórdenes endocrinos o tratamiento farmacológico  están relacionados con mayor riesgo de enfermedad cardiovascular, incluyendo hipertensión arterial, hipertrofia cardiaca e insuficiencia cardiaca. Los estudios in vivo e in vitro proporcionan evidencia del rol del GR de los cardiomiocitos. La inactivación prenatal del GR en ratones disminuye el tamaño del corazón y altera la estructura y organización fibrilar de los cardiomiocitos. El corazón de estos ratones también presenta defectos en los niveles de la cadena pesada de miosina α (Myh6), la principal proteína contráctil en corazones adultos, y en las proteínas que manejan el calcio, incluyendo el receptor de rianodina (Ryr2), el intercambiador sodio-calcio (NCX1) y la ATPasa de calcio del retículo sarcoplásmico/endoplásmico (SERCA2a). El rol de la señal GR en el corazón postnatal también ha sido demostrada en modelos de ratones transgénicos. La sobre expresión de GR de humanos en el corazón de los ratones provoca bradicardia y déficits eléctricos, incluyendo prolongación del intervalo PQ y mayor duración del complejo QRS, y defectos en las corrientes de sodio y potasio. Por otra parte, estudios recientes demuestran que en condiciones de estrés miocárdico como las disparadas por inactivación de GR de los cardiomiocitos, la señal MR se vuelve perjudicial y promueve enfermedad cardiaca.

   La hipertrofia cardiaca es una característica del envejecimiento y una de las principales causas de insuficiencia cardiaca. El incremento en los niveles de GC ha sido asociado con hipertrofia cardiaca patológica. Los estudios in vivo e in vitro demuestran que la administración de GC bajo condiciones de no estrés provoca hipertrofia de cardiomiocitos caracterizada por cambios estructurales y morfológicos y un incremento en los niveles de marcadores de hipertrofia cardiaca: péptido natriurético atrial, cadena pesada de miosina-β y actina del esqueleto. En respuesta al tratamiento con GC, también se observan cambios en la expresión de los genes pro-hipertrofia, receptor adrenérgico-α1b (ADRα1b) e interleucina 6R (IL-6R). Por otra parte, los estudios en humanos demuestran una correlación entre bajos niveles de IGF-I e incremento de riesgo de insuficiencia cardiaca en adultos mayores. Adicionalmente, un incremento en los niveles circulantes de IGF-I es beneficioso para el tratamiento de pacientes con insuficiencia cardiaca. La señal IGF-I ejerce este efecto cardioprotector sobre el envejecimiento disminuyendo la producción de ROS por las mitocondrias y, por tanto, reduce el estrés oxidativo. En condiciones de estrés (por ejemplo, ayuno), los estudios demuestran que los GC protegen a los cardiomiocitos de la muerte celular a través de la regulación al alza de proteínas anti-apoptosis como Bcl-xL y la represión de proteínas pro-apoptosis. Estos datos sugieren que la elevación en los niveles de GC puede tener un rol protector en el corazón previniendo la muerte de cardiomiocitos disparada por cambios relacionados con la edad en los niveles de proteínas asociadas con la arquitectura y las propiedades mecánicas de los cardiomiocitos, y los mecanismos de reparación de ADN.

   En conclusión, hay una clara conexión entre el sistema endocrino y la salud cardiaca en el envejecimiento. Si esta conexión provoca efectos positivos o negativos depende de la influencia de enfermedades crónicas intercurrentes, el estatus nutricional y otros cambios relacionados con la edad. En el contexto del corazón, el proceso de envejecimiento está asociado con significativas alteraciones morfológicas y funcionales, incluyendo hipertrofia y fibrosis cardíacas, cambios en los volúmenes diastólico y sistólico finales, presión de llenado cardíaco y relajación diastólica, entre otros parámetros. El corazón envejecido también muestra marcadas alteraciones en el sistema de conducción que impactan las propiedades eléctricas del corazón. Los GC a través de la señal GR regulan la expresión de genes claves involucrados en el manejo del Ca²⁺, las rutas de muerte celular y la hipertrofia y fibrosis cardíacas. Hay fuerte evidencia que el desbalance en las señales GR y MR en el corazón tiene un rol causal en la enfermedad cardíaca.

Fuente: Cruz-Topete D et al (2020).  Glucocorticoid signaling and the aging heart. Frontiers in Endocrinology 11:347.

La microbiota intestinal y el cuerpo humano

Todas las plantas y animales, incluyendo humanos, contienen muchos microorganismos, los cuales se relacionan de diferentes maneras con el huésped: simbiosis, comensalismo y parasitismo. Aproximadamente 90% de las células  del cuerpo humano forman lo que conoce como la microbiota o el microbioma. La microbiota es un conjunto de microorganismos que forman una comunidad ecológica en un área específica. Los primeros científicos que mencionaron este término fueron Lederberg y McCray cuando se refirieron al rol de los microorganismos en la salud y la enfermedad. El término microbioma, por otra parte, se refiere a los genomas de todos los microrganismos en un ambiente específico. Los prebióticos son componentes fermentados selectivamente que provocan cambios específicos en la  composición y/o actividad de la microbiota intestinal, proporcionando beneficios para la salud del huésped. El término probiótico deriva de la palabra latina pro (significa para) y la palabra griega bióticos (significa vida). Los probióticos son bacterias vivas, beneficiosas, no patógenas como Lactobacillus y Bifidobacterium  y levaduras como Saccharomyces que proporcionan beneficios para la salud del huésped cuando son administrados en cantidades suficientes. Hay más de 100 trillones de microorganismos en el intestino humano que en conjunto representan más de 150 veces los genes del genoma humano.

   Recientemente, muchos estudios han demostrado el importante rol de la microbiota intestinal humana en la extracción de energía de los alimentos, la utilización de nutrientes, los cambios en la señal del apetito, la producción de vitaminas y el metabolismo de muchos materiales incluyendo xenobióticos porque contiene enzimas específicas y una variedad de rutas bioquímicas. La microbiota intestinal está involucrada en muchos procesos biológicos básicos, incluyendo la regulación del desarrollo epitelial, la modulación del fenotipo metabólico y la estimulación de la inmunidad innata. Adicionalmente, la microbiota intestinal protege al cuerpo de patógenos externos  a través de la colonización competitiva o la producción de agentes antimicrobianos como bacteriocinas que matan patógenos. Los genes del huésped, el estilo de vida, el tipo de alimento y los antibióticos tienen un impacto sobre la microbiota intestinal  que afecta la salud del huésped a través de modificaciones de sistemas fisiológicos como el desarrollo del sistema inmune, las secreciones endocrinas, la regulación del metabolismo y los genes en el genoma del huésped. Los estudios han demostrado la existencia de cuatro phyla dominantes en la microbiota intestinal, con Firmicutes y Bacteroidetes representando el 90% de la población total y Actinobacteria y proteobacteria que representan por lo menos  1-5%. La alteración de este balance es llamada disbiosis. La disbiosis de la microbiota intestinal provoca muchas enfermedades, incluyendo enfermedades autoinmunes como asma y artritis, enfermedades crónicas como la enfermedad inflamatoria intestinal (IBD), enfermedades metabólicas como obesidad y diabetes, enfermedades cardiovasculares como la ateroesclerosis y enfermedades hepáticas. Las consecuencias de la disbiosis de la microbiota intestinal pueden extenderse hasta el cáncer y enfermedades psicológicas como depresión y ansiedad.

   La noción que el ambiente gastrointestinal fetal carece de microbiota deriva de la hipótesis que la barrera placentaria protege de cualquier microbio. La defensa para esta hipótesis está basada en el hecho que la existencia de cualquier microbio en el útero es considerada un riesgo potencial para el feto y está asociada con nacimiento prematuro y anormalidades fetales. Por otra parte, algunos estudios han mencionado la existencia de microbiota comensal en tejidos placentarios y líquido amniótico en embarazos sanos. Estos estudios reportan la existencia de Fusobacteria, Tenericutes, Firmicutes, Bacteroidetes y proteobacteria en la placenta y la existencia de Streptococcus, Enterococcus y Staphylococcus en sangre de cordón umbilical. Por tanto, la idea que la microbiota coloniza el cuerpo humano inmediatamente después del nacimiento está actualmente en revisión. La microbiota adquirida en la vida temprana afecta el desarrollo del sistema inmune y su responsabilidad para la salud  o desarrollo de enfermedades más tarde en la vida.  Muchos estudios han demostrado que la disbiosis de la microbiota intestinal provoca muchas enfermedades, como enfermedades pulmonares, asma, alergia alimentaria,  diabetes, obesidad, enfermedades atópicas, enfermedad de Crohn y enfermedades autoinmunes. Por otra parte, la carencia de exposición a microorganismos de la microbiota en la vida temprana provoca alergias. En efecto, un estudio demuestra la diferencia entre niños que crecieron en ambientes naturales y aquellos que crecieron en áreas  urbanas. Los niños de ambientes naturales tienen menos síntomas de alergia que los niños que crecieron en áreas urbanas debido a la menor diversidad de la microbiota en los niños de las áreas urbanas. Muchos factores afectan la formación de la microbiota del infante, como embarazo, clase de nacimiento y modo de alimentación. La clase de nacimiento juega un rol importante en la composición de la microbiota que habita en el infante. En el parto vaginal, los microbios de la vagina de la madre como Lactobacillus sp, Bifidobacterium y Prevotella colonizan al niño, mientras los recién nacidos por cesárea son colonizados por la microbiota de la piel de la madre, Corynebacterium, Staphylococcus y Propionibacterium sp. Adicionalmente, el modo de alimentación tiene un importante rol en la formación de la microbiota intestinal en  niños.  La leche materna contiene más de 700 clases de bacterias y oligosacáridos que refuerzan algunas bacterias específicas como bifidobacterias, inmunoglobulinas como IgG e IgA y citoquinas como TGF-β e interleuquina-10 (IL-10) y los efectos combinados de estos factores afectan la selección de bacterias que colonizarán el tracto gastrointestinal en niños que dependen de la leche materna. El destete y la introducción de alimentos sólidos incrementan la diversidad de la microbiota y aumentan las especies que producen butirato, Clostridium sp, Prevotella y Ruminococcus. A los tres años de edad, la composición de la microbiota intestinal es similar a la del adulto.  Durante el crecimiento humano, el sistema inmune puede necesitar entrenamiento por una buena microbiota de una manera regular, y la carencia de entrenamiento puede provocar  desregulación y débil tolerancia hacia  enfermedades no comunicables.

   La microbiota intestinal juega un rol clave en el entrenamiento y la inducción del sistema inmune. Cuando el sistema inmune trabaja óptimamente, estimula una respuesta a patógenos y tolerancia a antígenos no perjudiciales. El sistema inmune consiste en una compleja red (innata y adaptativa) que tiene la capacidad para adaptarse y responder a muchas situaciones y trabaja para preservar  y restaurar los tejidos. El mecanismo que usa el sistema inmune para mantener la relación con  la microbiota intestinal  es similar al que utiliza para restringir microorganismos que causan muchas enfermedades que afectan la salud humana como asma, enfermedades autoinmunes e infecciones. Estas enfermedades provienen de la insuficiencia de la respuesta inmune contra autoantígenos, microbios o antígenos derivados del ambiente. Las estrategias del huésped son adaptadas para mantener un balance con los microorganismos y reducir su comunicación con las células epiteliales y, por tanto, evitan la inflamación y previenen la propagación de bacterias a través del cuerpo. Hay abundancia de células inmunes en áreas de contacto directo con microorganismos, como la piel y el intestino delgado.

   En el intestino humano hay una sinergia entre mucus, péptidos antimicrobianos, células inmunes e IgA. Esta sinergia juega un rol importante en el mantenimiento de la homeostasis intestinal, previniendo que los patógenos atraviesen la membrana celular y causen la inflamación. Las células secretan mucus que forma una capa con un grosor de 150 µm para prevenir el contacto directo entre la microbiota y los tejidos del huésped. Las células epiteliales por su parte, producen péptidos antimicrobianos (α-defensinas, catelicidinas y lectinas tipo C) que matan las bacterias atacando la pared celular o rompiendo las membranas internas de las bacterias. La expresión de algunos péptidos antimicrobianos, como RegIIIγ, el cual es el mejor péptido antimicrobiano expresado inmediatamente después del nacimiento o después de la administración de microbios en animales de experimentación, requiere señales bacterianas. La mayoría de α-defensinas no requieren señales bacterianas. La acumulación de antimicrobianos en el mucus crea una barrera física entre la microbiota y las células epiteliales, la cual es referida como “zona desmilitarizada”, mientras las células dendríticas (CD) que están localizadas debajo de las placas de Peyer y en la lámina propia juegan un rol importante en la respuesta inmune. Las CD reducen la inflamación innecesaria promoviendo células Treg que son transportadas en la lámina propia y secretan IL-10, la cual suprime la inflamación innecesaria induciendo células B que se diferencian en células plasmáticas IgA+ en los nodos linfáticos mesentéricos. Las células plasmáticas IgA+ son transportadas a la lámina propia y secretan IgA, la cual es transportada a través de la célula epitelial vía transcitosis y previene la penetración bacteriana. En la inflamación, los microorganismos patógenos  producen citoquinas pro-inflamatorias como Il-6, Il-12 e Il-23 que provocan la reducción de IL-10 e incrementan las citoquinas inflamatorias como TNFα, INFγ e IL-17. El estilo de vida, la dieta, el envejecimiento y la ingesta de antibióticos alteran la homeostasis intestinal y provocan muchas enfermedades.

   Es conocido que las enzimas hepáticas pueden tomar sustancias extrañas, las cuales son modificadas para mitigar su toxicidad o facilitar su expulsión del cuerpo. Por otra parte, las investigaciones sugieren que la modificación de algunas sustancias incrementa su toxicidad. Estas sustancias son modificadas por oxidación (citocromo p450 monooxigenasas), reducción (citocromo p450 reductasas) o hidrólisis (esterasas y epóxido hidrolasas). Es bien conocido que la microbiota intestinal tiene la capacidad para degradar más de 40 sustancias.  Los estudios recientes sugieren que la microbiota intestinal juega un rol importante en el metabolismo de materiales xenobióticos por su capacidad para producir enzimas que neutralizan muchas sustancias. El rol de la microbiota intestinal se observa claramente en sustancias de bajo peso molecular (menos de 325 kDa). Estas sustancias reaccionan pobremente con la bilis y la microbiota intestinal las metaboliza para formar materiales no polares, los cuales son modificados por oxidación o reducción y regresados al hígado por un proceso llamado circulación enterohepática.

   Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) son producidos por combustión incompleta de sustancias orgánicas. Las principales fuentes de HAP son la inhalación de aire proveniente de gas vehicular y el humo de cigarrillo. La microbiota intestinal tiene la capacidad para metabolizar HAP y, en algunos casos,  aumentar su toxicidad. La toxicidad de estas sustancias varía dependiendo de su estructura final. Mientras algunas de ellas poseen propiedades estrogénicas, otras tienen propiedades carcinogénicas. La exposición a HAP incrementa el riesgo de cáncer de pulmón y vejiga. La microbiota intestinal también incrementa la toxicidad de melamina, metales y contaminantes orgánicos. Por otra parte, el consumo de edulcorantes artificiales (EA) cambia la diversidad de la microbiota intestinal, lo cual puede provocar el desarrollo de desórdenes metabólicos. La sucralosa, uno de los EA más usados, incrementa las especies bacterianas anaeróbicas y disminuye los beneficios de bifidobacterias y lactobacilos en animales  de experimentación y humanos.

   Los antibióticos juegan un rol muy importante en la disbiosis de la microbiota intestinal. Los antibióticos no solo afectan bacterias patógenas, también tienen un impacto sobre bacterias beneficiosas, lo cual provoca un  desbalance biológico que causa numerosas enfermedades como obesidad, diabetes tipo 2, asma y enfermedad  de Crohn. Por ejemplo, el uso de antibióticos de amplio espectro es la principal causa de diarrea causada por infección oportunista con Clostridium difficile. Adicionalmente, el ambiente intestinal proporciona las condiciones para la transferencia horizontal de múltiples genes resistentes, lo cual incrementa el riesgo de uso indiscriminado de antibióticos. Más aún, el consumo de antibióticos, especialmente en la vida temprana, tiene consecuencias negativas porque esta fase es importante para la formación de una comunidad microbiana saludable. Los estudios en infantes demuestran que el uso de antibióticos en la edad temprana o la exposición a ellos durante la vida intrauterina están relacionados con un incremento en Proteobacteria phyla, que contiene genes de resistencia para muchos antibióticos, y una disminución en bifidobacteria, consideradas bacterias beneficiosas. En un estudio de larga duración usando clindamicina en voluntarios sanos para examinar los efectos de los antibióticos sobre la microbiota intestinal, se observaron pérdida de muchas especies e incremento en la expresión de genes de resistencia para clindamicina en las bacterias intestinales;  los cambios persistieron por dos años. Por otra parte, los microorganismos son de corta vida, con muchas mutaciones que afectan su genoma, haciéndolos más resistentes a la adaptación a los parásitos, lo cual hace que los microorganismos respondan más rápidamente a los parásitos que su huésped.    La microbiota intestinal puede indirectamente inducir en el huésped una respuesta inmune más fuerte para destruir un parásito.

   Numerosos estudios han demostrado la relación entre la disbiosis de la microbiota intestinal y las enfermedades infecciosas. La ausencia de una flora robusta incrementa el riesgo que los patógenos colonicen el intestino y causen enfermedades. La ingesta de antibióticos es la principal causa de disbiosis y el ejemplo más común de esto es la colitis causada por el incremento en C. difficile en el intestino después del uso de antibióticos (amplicilina, clindamicina y cefalosporina). Más aún, los estudios demuestran que la reducción de la diversidad microbiana en el intestino causada por antibióticos incrementa la capacidad de los patógenos para colonizar el intestino.

   El C. difficile (CD) es una bacteria anaeróbica, gram-positiva y formadora de esporas que coloniza el intestino. Los antibióticos de amplio espectro inhiben el crecimiento de CD. Por otra parte, el ambiente intestinal bajo la influencia de los  antibióticos altera los metabolitos en los intestinos y disminuye la producción de ácidos grasos de cadena corta (AGCC) como el butirato que es la fuente de energía para las células epiteliales. El CD saca ventaja de las condiciones a su alrededor para crecer, reproducirse y secretar toxinas. Su patogenicidad comienza penetrando la capa mucosa hasta alcanzar las células epiteliales. De esta manera, el CD coloniza el tracto gastrointestinal y produce toxinas que destruyen las células epiteliales. La toxina A y la toxina B  cambian el citoesqueleto de las células epiteliales, inhiben la división celular y el transporte de membrana, lo cual provoca la inducción de inflamación. Los tratamientos más comunes para CD son vancomicina y metronidazole, aunque muchos pacientes desarrollan enfermedades recurrentes.  La diversidad microbiana tiene un rol clave en la prevención de la infección por CD a través del trasplante de microbiota fecal de donantes sanos y la restauración de la diversidad microbiana intestinal es efectiva en más del 95% de los pacientes.

   El helicobacter pylori es uno de los pocos microrganismos que pueden causar cáncer gastrointestinal a través de la inducción de inflamación crónica. EL H. pylori es una bacteria microaerofílica, espiral y gram-negativa, aislada por primera vez de un paciente con ulcera gástrica en 1982. Las investigaciones demuestran que el H. pylori se encuentra en 50-90% de la población en países en desarrollo, mientras en los países desarrollados se encuentra en menos de 50% de la población. Aunque el H. pylori está presente  en la mitad de la población humana, sus medios de trasmisión no han sido aclarados hasta el presente. La trasmisión de una persona a otra es mayor entre individuos en la misma familia en uno de los métodos de trasmisión descritos (trasmisión gastro-oral, trasmisión oral-oral, trasmisión por agua y alimentos y trasmisión fecal-oral). Los factores ambientales, la predisposición genética del huésped, así como también los factores  de virulencia como la producción de ureasa, flagelos y factores de adhesión contribuyen a la colonización e inducción de enfermedad. La secreción de ureasa reduce la acidez gástrica y  los flagelos y las toxinas ayudan a penetrar las células epiteliales del estómago y causan infección.  La infección con H. pylori provoca un cambio en la microbiota del estómago. En un estudio que incluyó voluntarios sanos y pacientes con H. pylori se encontró que el estómago de las personas sanas muestra buena  biodiversidad con respecto a Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria y Estreptococcus en el medio ácido.

   El ecosistema dinámico de la microbiota intestinal es considerado un “órgano” metabólicamente activo. La pérdida de la homeostasis gastrointestinal induce muchas enfermedades como obesidad y diabetes. Varios factores están involucrados en el desarrollo de la obesidad, incluyendo predisposición genética, desórdenes hormonales, estilo de vida y el rol de la microbiota intestinal. Las investigaciones han demostrado el rol de la microbiota intestinal en la ganancia de peso y la resistencia a la insulina. Los animales libres de gérmenes no ganan peso a pesar de ser alimentados con dietas ricas en carbohidratos y grasas, mientras que una ganancia de peso de 60% se observa cuando estos animales reciben trasplante de microbiota de otros ratones, lo cual demuestra una asociación entre ganancia de peso y la proporción de firmicutes/Bacteroidetes. Esto significa que la ganancia de peso en los ratones no depende de la cantidad de comida ingerida sino de la calidad de su metabolismo. Otra observación es que los lipopolisacáridos (LPS) en la luz intestinal de individuos con peso normal no atraviesan las células epiteliales mientras si lo hacen en personas obesas y estimulan la inflamación. Esto ha sido atribuido al consumo de dietas ricas en grasas que reducen proteínas como Claudina y zónula occludens- (ZO-1), las cuales son responsables de la interconexión de las células epiteliales. Adicionalmente,  una dieta rica en grasas juega un rol importante en la distribución de la microbiota intestinal. Los ratones de peso normal que reciben una dieta rica en grasas durante 8 semanas tienen un incremento en Firmicutes y una reducción en Bacteroidetes en la microbiota intestinal. La producción de más energía a partir de los alimentos está relacionada con la presencia de más Firmicutes y menos Bacteroidetes en la microbiota intestinal, lo cual sugiere la hipótesis que la microbiota intestinal de personas obesas es más eficiente para obtener energía a partir de los alimentos que la microbiota intestinal de  personas delgadas, y que las Bactroidetes y bifidobacteria protegen contra el desarrollo de obesidad.

   La microbiota intestinal y sus metabolitos juegan un rol importante en el desarrollo de diabetes tipo 1 y diabetes tipo 2. Muchos estudios que relacionan la disbiosis de la microbiota intestinal y la diabetes reportan una disrupción de la relación Firmicutes/Bacteroidetes en pacientes diabéticos. Un incremento de Bacteroidetes resulta en la producción de propionato, succinato y acetato a partir de lactato, el cual  descompone la capa de miosina, provocando alteración de la permeabilidad de las células epiteliales y la entrada de patógenos.  Otro beneficio de los AGCC resultantes del metabolismo bacteriano es el incremento en la secreción por las células L de péptido YY y péptido glucagonoide 1 (GLP-1), los cuales mejoran la sensibilidad a la insulina. Más aún, la microbiota intestinal puede metabolizar ácidos biliares primarios en ácidos biliares secundarios, los cuales se unen al receptor acoplado a proteína G, TGR5, para incrementar la liberación de GLP-1 y la sensibilidad a la insulina.

   En conclusión, la microbiota intestinal afecta muchas funciones vitales en el cuerpo humano, incluyendo la regulación del sistema inmune, la digestión de alimentos, la producción de vitaminas como B12 y K y el metabolismo de materiales xenobióticos. Una buena composición de la microbiota intestinal juega un rol importante en la protección contra microorganismos patógenos y la tolerancia de los no patógenos. Muchos factores afectan la biodiversidad de la microbiota intestinal, como la dieta, las medicinas incluyendo los antibióticos, las relaciones con el ambiente, el embarazo y la edad. Las investigaciones indican que la falta de diversidad de la microbiota intestinal causa muchas enfermedades.

Fuente: Altves S et al (2020). Interaction of the microbiota with the human body in health and diseases. Bioscience of Microbiota, Food and Health 39:23-32.

Inmunorregulación de la decidualización

Por muchos años se ha asumido que las células decidualizadas juegan un rol pasivo durante la implantación del embrión, asociado con cambios morfológicos en las células del estroma. Sin embargo, la evidencia experimental reciente indica que la inflamación inicial asociada con la implantación del embrión es una respuesta fisiológica que comienza durante el programa de decidualización. El proceso de decidualización en humanos ocurre en cada ciclo menstrual y, a diferencia de la decidualización en roedores, no requiere la presencia de un blastocisto. La propuesta actual es que la decidualización cíclica  en ausencia de embarazo podría contribuir a “precondicionar” el endometrio para la receptividad. Este concepto está basado en el hecho que la decidualización cíclica implica una respuesta inflamatoria repetitiva con un cierto grado de isquemia. La inflamación está profundamente involucrada en la fertilidad, desde la ovulación hasta la implantación y decidualización. La exposición cíclica al daño tisular sub-umbral podría proporcionar protección a través de la inducción de tolerancia materna.

   El programa de decidualización denota cambios en el perfil secretor asociados con la expansión de su retículo endoplásmico (RE), una respuesta fisiológica conocida como estrés  ER,  y la consiguiente respuesta de proteínas no plegadas (RPN) comúnmente descrita como la “respuesta integrada al estrés”. Esto permitirá a las células decidualizadas secretar factores “pro-implantación”. El punto más interesante es que las rutas de señalización involucradas en el estrés RE y la RPN están interconectadas con el inicio de una respuesta inflamatoria estéril, así como también con la angiogénesis. Los dos procesos tienen roles claves en la decidualización y placentación, y por tanto sus alteraciones podrían provocar complicaciones en el embarazo. Dependiendo de la severidad, estas alteraciones pueden ser reflejadas en fallas recurrentes en la implantación (FRI), pérdidas recurrentes de embarazo (PRE) o complicaciones asociadas con placentación deficiente o preeclampsia (PE).

   Como parte de la reprogramación de las células del estroma endometrial, las células deciduales adquieren la capacidad para secretar una gran variedad de proteínas. El incremento en los niveles  de secreción de proteínas induce la saturación de la maquinaria de plegamiento de proteínas en el RE, lo cual provoca una acumulación de proteínas mal plegadas. En consecuencia, las células entran en estrés RE, lo cual dispara la RPN para restaurar la homeostasis celular. Estos procesos han sido demostrados en humanos y modelos de roedores. La RPN involucra diferentes rutas de señalización intracelulares generando una red para sostener el plegamiento fisiológico y modificaciones post-traduccionales  de proteínas y alcanzar la homeostasis celular, pues de no ser así se podría  inducir autofagia y muerte celular. La RPN ocurre en un tiempo de minutos a horas para evitar una sobrecarga de traducción en el RE. Esta respuesta es mediada por la activación de tres sensores:

   PERK (protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase) activada por oligomerización y autofosforilación. El dominio citoplasmático activado causa la atenuación de la traducción por fosforilación directa de la subunidad alfa que regula el inicio de la traducción de mARN, elF2. Este evento inhibe la traducción de la maquinaria de proteínas involucradas en la progresión del ciclo celular, resultando en paro de la fase G1y traducción selectiva del factor de transcripción ATF4 que regula al alza los genes blancos de la RPN.

   IRE1α (inositol-requiring enzyme 1α) cuya dimerización y autofosforilación cataliza el empalme del mARN no convencional del factor de transcripción XBP1 (X-box Binding Protein 1), removiéndole un intrón a través de su actividad endonucleasa. La forma empalmada y activa de este factor de transcripción (sXBP1) activa genes que regulan la RPN.

   ATF6 (Activating Transcription Factor 6) es un factor de transcripción cremallera leucina básico que es transferido al aparato de Golgi donde es secuencialmente fragmentado  por las serina proteasas S1 y S2 para formar un factor de transcripción activo  que induce la expresión de genes que regulan la RPN.

   Después de la decidualización,  las células del estroma endometrial adquieren la capacidad para cambiar su secretoma de acuerdo con la calidad del embrión. Uno de los mecanismos involucrados en este control de calidad está basado en el hecho que los embriones humanos competentes disparan flujos de Ca²⁺ oscilatorios, mientras los embriones no competentes inducen una respuesta prolongada de Ca²⁺, la cual puede estar asociada con estrés RE y RPN en las células deciduales y autofagia.  

   La generación de una respuesta inflamatoria es crucial para la implantación exitosa del embrión, y está asociada con un incremento en la expresión de varias citoquinas inflamatorias y quimioquinas en las células endometriales y el blastocisto. En este contexto, se ha propuesto que la activación de los receptores de reconocimiento paterno (PRR) por moléculas intracelulares endógenas (DAMP: damage-associated molecular patterns) como ATP, HMGB1 (high-mobility group box 1), ácido úrico, ADN libre e IL-1α podría inducir una inflamación estéril en la interfase materno-placentaria que apoyará el reclutamiento selectivo de células inmunes maternas. Estas “señales peligrosas”, también conocidas como alarminas, podrían ser liberadas por células necróticas generadas durante la remodelación tisular asociada con la implantación del embrión. Sin embargo, hay otra manera de iniciar una respuesta inflamatoria estéril que involucra la inducción de estrés de RE y RPN asociada con la producción de IL-1β.

   La familia IL-1 incluye 11 miembros que regulan la respuesta inflamatoria provocada por lesiones y estresores. Los principales miembros, IL-1α e IL-1β, se unen al receptor IL-1R1 y disparan la expresión de numerosas citoquinas por activación de los factores de transcripción NF-κB (Nuclear Factor Kappa B) y AP-1 (Activator Protein 1). IL-1α e IL-1β, aunque tienen efectos biológicos similares, son codificadas por genes diferentes y difieren en su ruta de secreción. La IL-1α es expresada en el citoplasma y es trasladada al núcleo para regular la expresión de genes inflamatorios. Por el contrario, la IL-1β requiere la activación del inflamasoma para ser liberada en su forma activa. El inflamasoma es un complejo multi-proteina que es activado por un amplio rango de estímulos de diferentes fuentes, incluyendo estresores estériles. Esta activación finaliza con la secreción de las formas activas de IL1-β e IL-1δ. Principalmente, el complejo consiste de la molécula sensora de inflamasoma, la proteína adaptadora ASC y caspasa-1. Varias moléculas sensoras de inflamasoma pueden disparar la formación de inflamasoma. La mayoría de los inflamasomas que han sido descritos contienen un receptor similar a NOD (NLR), molécula sensora como NLRP3 (NOD-, LRR-, pyrin domain-containing). La IL-1α y la IL-1β contribuyen a la inflamación estéril con cinéticas diferentes. Mientras  IL-1α inicia la respuesta inflamatoria estéril, la IL-1β amplifica la respuesta inicial.

   El sistema IL-1 es expresado en el endometrio y en el blastocisto y participa en el diálogo bidireccional. La evidencia reciente indica que la IL-1β contribuye a la decidualización a través de varios mecanismos: inducción de integrinas, producción de factor inhibidor de leucemia (LIF) y leptina, y disociación del filamento de actina en las células del estroma humano. Particularmente, la remodelación del citoesqueleto es crítica para el inicio de la diferenciación de las células del estroma. Los cambios en la dinámica de la actina impactan negativamente sobre la decidualización y previenen la translocación de la proteína ligadora de actina, cofilina, al núcleo, una respuesta esencial para permitir la diferenciación de las células del estroma. Por otra parte, la IL-1β secretada por las células decidualizadas del estroma aumenta la migración del trofoblasto.

   El estrés RE está conectado con la respuesta inflamatoria, con el IRE1α actuando como un puente entre estos procesos. En un modelo de la progresión de la diabetes usando células INS-1 (Insulin-secreting β cell line 1) se demostró que el IRE1α incrementa la expresión de TXNIP (thioredoxin-interacting protein), la cual está relacionada con la producción de IL-1β en respuesta al estrés RE. Particularmente, está demostrado que la TXNIP se une y activa al NLRP3-inflamasoma. Por tanto, el estrés RE y la RPN también contribuyen a sostener la inflamación estéril asociada con la implantación. 

   Los micro ARN (miARN) son una clase de ARN cortos no codificantes que introducen un nivel adicional de regulación de la expresión de genes. El hecho que los miARN regulen selectivamente la expresión en el nivel post-transcripcional los convierte en una herramienta perfecta para la modulación de las rutas de señalización siguientes a la síntesis de ARN. Los miARN regulan la expresión de proteínas a través de dos mecanismos distintos: represión de la traducción de mARN y degradación de mARN. Los miARN participan en un gran número de procesos biológicos. Particularmente, la modulación de la RPN es un campo de estudio muy interesante: dado que la RPN disminuye los niveles de proteínas celulares sin modular los correspondientes mARN, la participación de los miARN en este proceso gana relevancia. El estrés RE y la RPN son dirigidos por miARN que regulan la expresión o estabilidad de los factores de transcripción involucrados en sus rutas. Los miARN involucrados en la RPN pueden ser clasificados en grupos pro-adaptativos y pro-apoptosis. El primer grupo ayuda a reducir la carga del RE incrementando su capacidad de plegamiento. El segundo grupo de miARN está involucrado en  procesos de  eventos de muerte celular programada, incluyendo disrupción del citoesqueleto, encogimiento celular y fragmentación del ADN, entre otros. Particularmente, la IRE1α puede degradar los siguientes miARN: miR-17, miR-34a, miR96a y miR-125b.

   Recientemente, los miARN han ganado relevancia en la reproducción. Por una parte, diferentes estudios han reportado que las hormonas afectan los patrones de expresión de miARN en las células del estroma endometrial. Más aún, varios miARN, como miR-21 y miR-30 son modulados significativamente durante la ventana de receptividad. Estos miARN están involucrados en la regulación de la transcripción, la proliferación celular y la apoptosis entre otros procesos. Por otra parte, la disminución de miR-542-3P es requerida para la decidualización de las células del estroma. El miR-199b-5p tiene como blanco   la SGK1 (serum/glucocorticoid regulated kinase), la cual regula el transporte, la liberación de hormonas, la proliferación celular y la apoptosis, y es importante para el mantenimiento del embarazo. En línea con estos datos, varios estudios reportan una significativa correlación inversa entre miR199b-5p y SGK1 in vivo e in vitro.

   En respuesta a una variedad de estímulos, los miARN pueden ser empacados y liberados por células epiteliales y del estroma del endometrio. En efecto, los miARN se pueden encontrar extracelularmente en el plasma y otros líquidos corporales y mediar la comunicación célula-célula. Durante el curso de la implantación del embrión, las vesículas extracelulares (VE) exhiben diferentes proteínas y miARN. Las VE endometriales potencialmente podrían controlar la fisiología del trofoblasto y promover la proliferación celular y la angiogénesis. Sin embargo, la relevancia de las alteraciones fisiológicas en las VE en las células endometriales inducidas por diferentes estímulos, incluyendo mediadores inflamatorios, estrés RE y RPN es aún desconocida. Estudios recientes reportan que el miR-141 es regulado al alza en placentas preeclámpticas, regulando la invasión del trofoblasto y la comunicación intercelular. Más aún, elevados niveles de miR-141 pueden ser transferidos del trofoblasto a células inmunes por liberación e internalización de VE, lo cual sugiere un rol en la regulación inmune en embarazos normales y patológicos. Todos estos estudios demuestran que los miARN están involucrados durante el proceso reproductivo y su potencial como biomarcadores para detectar complicaciones de la fertilidad y el embarazo.

   La implantación representa una etapa crítica de la fertilización in vitro. Aun considerando la calidad del embrión, se estima que el 50% de las implantaciones de embriones humanos resultan en embarazos fallidos, resaltando la contribución uterina. La evidencia reciente demuestra que los defectos en la decidualización podrían condicionar embarazos futuros. Los estudios En mujeres con PE severa demuestran la presencia de alteraciones en la decidua en el momento del parto, las cuales persisten por años. La decidualización defectuosa en la PE severa refleja la contribución materna a la etiología de este síndrome y está asociada con un perfil transcriptómico particular. Esta alteración transcripcional podría ser detectada antes (o después) de la concepción, lo cual podría contribuir al desarrollo de terapias destinadas a mejorar la decidualización del estroma.

   Es importante tener presente que si bien la implantación requiere inflamación, la inflamación excesiva causa patologías y un exceso de estrés RE podría también estar asociado con complicaciones del embarazo. Los hallazgos experimentales apoyan el concepto que los casos de PE de inicio temprano están asociados con la activación de estrés RE/RPN en la placenta. El incremento en la activación de las rutas estrés RE/RPN involucra a IRE1α, ATF6, XBP-1 y GRP78. En efecto, la hipoxia-reoxigenación puede inducir estrés RE en células trofoblástica con un impacto sobre la proliferación de células del  trofoblasto en la etiología del crecimiento intrauterino humano. La severidad de  la hipoxia-reoxigenación incrementa la activación de las rutas estrés RE/RPN, enlenteciendo la tasa de proliferación de células del trofoblasto. Otro punto interesante es la relación entre estrés RE/RPN y angiogénesis. La mayoría de estudios que relacionan la RPN con la angiogénesis se han ocupado del VEGF-A (vascular endothelial growth factor A), el factor pro-angiogénesis mejor caracterizado. Los factores de transcripción de las tres ramas de la RPN tienen sitios en el promotor de VEGF-A e inducen su producción. Particularmente, el sXBP1 se une al menos en dos regiones del promotor de VEGF-A y el ATF4 se une en la  región promotora caracterizada por cuatro elementos de respuesta aminoácidos  (AARE). Otros factores con propiedades vasomoduladoras son regulados por la RPN. Por ejemplo, el ATF4 puede modular transcripcionalmente a la IL-8, una citoquina pro-angiogénesis que estimula la proliferación de células endoteliales.

   Los tejidos de la decidua basal de pacientes con PRE contienen más vasos (arterias, venas y vasos linfáticos) que las mujeres fértiles, y esta alta densidad de vasos sanguíneos también ha sido identificada en pacientes con PRE no embarazadas. En línea con estos resultados, los factores angiogénicos expresados en el endometrio secretor y la decidua basal, también se encuentran elevados. Esto es consistente con la noción que un incremento de la angiogénesis en la fase secretora, la alta densidad de vasos en el endometrio podría comprometer la capacidad del trofoblasto endovascular para invadir las estructuras luminales del útero en pacientes con PRE.

   La capacidad del endometrio humano para generar una respuesta decidual adecuada basada en sucesivos eventos inflamatorios puede contribuir a una sensibilización de tejidos uterinos. Según esta hipótesis de eventos inflamatorios repetidos se requiere un control inmune homeostático previo a la implantación. Sin embargo, hay un buen número de preguntas sin respuestas en muchos aspectos de la decidualización, la naturaleza de las señales embrionarias que modulan el secretoma decidual, y la red intercelular entre decidualización, inflamación y angiogénesis. La posibilidad de profundizar en los mecanismos reguladores asociados con la decidualización podría contribuir a la identificación de biomarcadores y al desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas. En particular, profundizar en los mecanismos inmunológicos involucrados en la implantación del embrión podría tener implicaciones para las pacientes con desórdenes reproductivos.

   En conclusión, la decidualización denota la reprogramación de células del estroma endometrial que incluye la secreción de diferentes mediadores como citoquinas, quimioquinas y el reclutamiento selectivo de células inmunes. Este proceso fisiológico involucra cambios en el secretoma de células del estroma endometrial que provocan la producción de factores inmunomoduladores. El incremento en la secreción de proteínas está asociado con estrés RE y RPN, lo cual permite la expansión del RE y la maquinaria para asistir al plegamiento de proteínas. Las rutas de señalización involucradas en el estrés RE y la RPN están interconectadas con el inicio de la respuesta inflamatoria estéril y con la angiogénesis. Estos dos procesos tienen un rol clave en la decidualización y la placentación. Las alteraciones en los procesos de estrés RE y RPN pueden ser reflejadas en fallas recurrentes en la implantación, pérdidas de embarazo recurrentes o complicaciones asociadas con placentación deficiente, como la preeclampsia.

 Fuente: Soczewski E et al (2020). Immunoregulation of the decidualization program: focus on the endoplasmic reticulum stress. Reproduction 159: R203-R211.

Mecanismos de resistencia a la insulina en los adipocitos

La insulina es una hormona vital, su ausencia y exceso son letales en humanos. Su introducción en la clínica en los años de la década de 1920  fue diseñada para reemplazar la carencia de insulina en la  diabetes tipo 1, pero su uso pronto reveló algunas paradojas. Por ejemplo, un alto consumo de glucosa por los pacientes con diabetes a menudo disminuye inesperadamente la dosis requerida de insulina. Por otra parte, los sujetos normales alimentados con dietas ricas en grasas se vuelven extraordinariamente intolerantes a  la glucosa. En los años de la década de 1940, varios grupos de investigadores  encontraron que la insulina era sorpresivamente inefectiva en la disposición de una carga de glucosa en sujetos obesos con diabetes y clasificaron la diabetes en dos tipos: “sensible a insulina” e “insensible a insulina”. Esto explicó una paradoja relacionada, descubierta en los años de 1960, la insulina circulante, algunas veces era bastante elevada en sujetos obesos con diabetes leve. La hiperinsulinemia con disminución de la respuesta a la insulina puede ser uno de los disparadores de este estado de insensibilidad a la insulina. Estos y otros hallazgos solidifican el paradigma que la resistencia de los tejidos periféricos a las acciones de la insulina es causada por sobrenutrición y obesidad.

   La alteración en la respuesta sistémica a la insulina en humanos y roedores obesos, definida por sus efectos reductores de glucosa sanguínea, refleja la disminución de la sensibilidad a la insulina en uno o varios de los principales órganos metabólicos: hígado,  músculo esquelético y tejido adiposo. En el hígado, la insulina pierde completamente su capacidad para inhibir la producción de glucosa a través de la glucogenolisis y la gluconeogénesis, mientras en el músculo esquelético y el tejido adiposo se alteran la captación y la utilización de glucosa. Sin embargo, los efectos de la insulina en estos tejidos no siempre son célula-autónomos, como, por ejemplo, la modulación por la insulina del metabolismo hepático secundariamente a través de la regulación de la liberación de ácidos grasos por los adipocitos. Más aún, hay una multitud de rutas celulares que han sido  sugeridas como mediadoras de la resistencia a la insulina en la obesidad, cada una con un extenso soporte de publicaciones.

   En las últimas dos décadas emergió el concepto que los tejidos adiposos son reguladores del metabolismo y las señales celulares en el hígado y el músculo esquelético. En este contexto, las disfunciones del tejido adiposo en condiciones de dieta rica en grasas u obesidad median la disrupción de señales a otros tejidos metabólicos a través de la circulación sanguínea, el sistema nervioso central o la liberación de exosomas. Esto no es sorprendente pues los tejidos adiposos son dramáticamente afectados por la obesidad. Tres mecanismos generales han sido propuestos para el control del tejido adiposo sobre otros tejidos y la homeostasis sistémica de la glucosa. (1) Secuestro de lípidos en los depósitos de adipocitos blancos a través del aumento de la síntesis o limitando la lipólisis que previene la acumulación toxica de lípidos en el hígado y el músculo esquelético. (2) Altas tasas de oxidación de glucosa y ácidos grasos en los adipocitos beige y marrones que incrementa el gasto de energía y reduce la carga de lípidos. (3) Secreción de factores bioactivos que pueden actuar en cerebro, hígado, músculo esquelético, islotes pancreáticos u otros tejidos. Cada una de estas rutas biológicas del tejido adiposo modula la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina.

   Los constituyentes celulares de los depósitos de tejido adiposo en el cuerpo están asociados con las distintas características y diferencias funcionales de cada depósito. En este contexto, la diferencia más notable es la capacidad de almacenar energía de los depósitos de tejido adiposo blanco (TAB)  en contraste con la capacidad de gasto de energía del tejido adiposo marrón (TAM). Las significativas diferencias entre los depósitos de TAB subcutáneo y los depósitos de TAB visceral también han sido documentadas, incluyendo los distintos perfiles de expresión de los adipocitos residentes, los patrones de infiltración de células inmunes y el flujo metabólico. Tres clases de adipocitos en los diversos depósitos de tejido adiposo han sido extensamente estudiados. Estos incluyen, adipocitos blancos especializados para el almacenamiento de triglicéridos en el TAB, y adipocitos beige en el TAB y adipocitos marrones en el TAM que exhiben alta tasa de respiración asociada con la proteína desacopladora UCP1 en las mitocondrias. Los adipocitos beige aparecen en ciertos depósitos de TAB durante la exposición al frío o el ayuno intermitente en ratones y, en humanos, ciertos depósitos TAB especialmente en regiones que son altamente vascularizadas en áreas del cuello y el tórax. Los adipocitos beige son diferentes de los adipocitos marrones no solo en su localización sino también en su programa de desarrollo y su respuesta a las señales adrenérgicas con respecto a la regulación mitocondrial y la expresión de UCP1. Las células beige muestran una respuesta más rápida a la exposición al frío, mientras los adipocitos marrones expresan constitutivamente altos niveles de UCP1 y pierden esta expresión en un período de tiempo más largo durante la  exposición a la termoneutralidad que los adipocitos beige. Los adipocitos beige y marrones aumentan la tolerancia a la glucosa en roedores y humanos a través de su capacidad para aumentar el gasto de energía o la secreción de factores beneficiosos para el hígado, músculo esquelético y otros tejidos.

   Un trabajo reciente reporta  los grados de  heterogeneidad de los adipocitos en TAB y TAM. Estos hallazgos incluyen una sustancial heterogeneidad de   células precursoras de adipocitos y una heterogeneidad de los adipocitos completamente diferenciados en los distintos depósitos o en un mismo depósito de tejido adiposo. Las células progenitoras de adipocitos pueden proliferar en respuesta a una dieta rica en grasas que provoca resistencia a la insulina y la proliferación depende del depósito de tejido adiposo, los lípidos de la dieta, el microambiente y las hormonas. Por otra parte, se ha identificado una población de células del estroma que inhibe la proliferación de células progenitoras. Diferencias significativas en las tasas de lipólisis y captación de lípidos por adipocitos derivados de  depósitos viscerales y subcutáneos han sido bien documentadas. Más aún, la heterogeneidad de los adipocitos blancos en un mismo depósito de tejido adiposo ha sido observada en la expresión de genes y la sensibilidad a la insulina bajo condiciones normales y en la expresión del receptor β-adrenérgico en la superficie celular.

   Las disfunciones del tejido adiposo en la obesidad genética y en condiciones de dieta rica en grasas incluyen la disminución de la capacidad de agrandamiento de los adipocitos blancos para sintetizar, esterificar y almacenar triglicéridos en una gota central de lípidos. Estas deficiencias son causadas, en parte, por la baja expresión de enzimas de la síntesis de lípidos, la esterificación y secuestro de ácidos grasos, incluyendo las proteínas de la gota de lípidos que normalmente protegen a los triglicéridos almacenados de la lipólisis. La obesidad disminuye en los adipocitos blancos la tasa de formación de glicerol 3-fosfato a partir de la glucólisis debido a disminución de la captación de glucosa y la ruta de “gliceroneogénesis” (conversión de piruvato en glicerol 3-fosfato) en respuesta a la regulación a la baja de la fosfoenol fosfato carboxiquinasa en el adipocito. La obesidad también modula la enzima diacilglicerol acil transferasa (DGAT, cataliza la esterificación de diacilglicerol con acil CoA en la etapa final de la síntesis de triglicéridos), especialmente en tejido adiposo subcutáneo.

   La señal insulina en los tejidos sensibles es disparada principalmente por la activación del receptor tirosina quinasa, lo cual provoca la estimulación de la proteína quinasa Akt. La regulación a la baja de la capacidad de síntesis de lípidos por el adipocito en la obesidad no necesariamente afecta la actividad de la señal insulina, pero está asociada con resistencia a la insulina en otros tejidos y disminución de la tolerancia a la glucosa en el cuerpo. Los estudios recientes indican que el enlace entre la entrada de grasa en exceso en el hígado y la resistencia a la insulina es el aumento de la acetil CoA mitocondrial que puede activar a la enzima piruvato carboxilasa en la ruta de la gluconeogénesis. Esto aparentemente incrementa la producción hepática de glucosa en una extensión que no puede ser inhibida por la acción directa de la insulina en los hepatocitos.

   Un segundo modo general de disrupción del adipocito causada por la obesidad que puede mediar la resistencia a la insulina sistémica está relacionado con la secreción de factores bioactivos, aun cuando los adipocitos en sí no son resistentes a la insulina. Los adipocitos blancos y marrones/beige secretan “adipoquinas” y algunas, llamadas “batoquinas”, son más selectivamente secretadas por el TAM. La adipoquina canónica de los adipocitos blancos es la leptina que regula muchos parámetros fisiológicos, incluyendo apetito y gasto de energía. Los adipocitos secretan muchos factores que no modulan directamente la sensibilidad a la insulina en los adipocitos sino que actúan como hormonas en tejidos cercanos o distantes, y en algunos casos su producción es suprimida en la obesidad. Un ejemplo es la adiponectina, la cual es secretada en la circulación sanguínea en altas concentraciones y aumenta la tolerancia sistémica a la glucosa y la sensibilidad a la insulina en ratones obesos. Otro ejemplo es la neuregulina 4 (Nrg4), la cual es altamente expresada en el TAM y, en menor cantidad en el TAB, pero no es expresada en ningún otro tipo de célula de tejido periférico en ratones.  La Nrg4 disminuye la síntesis hepática de ácidos grasos y mantiene la sensibilidad sistémica a la insulina. La producción de adiponectina y Nrg4 en adipocitos es regulada a la baja en la obesidad en ratones y humanos. Entonces, la disfunción del tejido adiposo en la obesidad maneja la resistencia a la insulina sistémica a través de la regulación a la baja de adipoquinas y batoquinas, las cuales actúan sobre tejidos periféricos pero no directamente sobre los adipocitos.

   Los estudios recientes han identificado varias especies de lípidos (“lipoquinas”) liberadas por los adipocitos que también pueden regular la tolerancia sistémica a la glucosa. Un ejemplo es el ácido 12-hidroxieicosapentaenoico (12-HEPE) producido por el TAM en respuesta a las catecolaminas durante la exposición al frío. El 12-HEPE incrementa la captación de glucosa en TAM y músculo esquelético. La obesidad en humanos disminuye marcadamente los niveles circulantes de 12-HEPE, y la sensibilidad a la insulina varía inversamente con los niveles de esta lipoquina. Por otra parte, la lipoquina ácido 12,13-dihidroxi-9Z-octadecenoico (12,13diHOME) aumenta en la circulación sanguínea de ratones y humanos durante el ejercicio. La principal fuente de esta lipoquina es también el TAM en ratones y su acción sobre el músculo esquelético incrementa la captación y oxidación de ácidos grasos. Estos datos sugieren que la obesidad puede regular a la baja proteínas y factores lípidos secretados específicamente por adipocitos, los cuales  actúan para mantener la sensibilidad a la insulina normal en hígado y músculo esquelético, y por tanto, la obesidad contribuye a la intolerancia sistémica a la glucosa y la resistencia a la insulina.

   Los adipocitos blancos, beige y marrones responden a la insulina y las rutas anabólicas estimuladas  por la insulina mejor estudiadas en los adipocitos son la captación y esterificación de la glucosa, la transcripción de mARN , la síntesis de proteínas y la lipogénesis de novo. Por el contrario, la actividad lipolítica en los adipocitos es fuertemente inhibida por la insulina, y los efectos combinados de estos procesos de respuesta a la insulina resultan en acumulación de lípidos en grandes gotas uniloculares (adipocitos blancos) o multiloculares (adipocitos beige y marrones). La lipólisis basal y la capacidad de la insulina para disminuir los ácidos grasos libres y el glicerol plasmáticos a través de la inhibición de la lipólisis en los adipocitos blancos pueden ser atenuadas en alguna extensión en la obesidad. Esto ocurre en parte a través de la fosforilación  del receptor β-adrenérgico por aumento de la actividad de ERK y MAPK en la obesidad. El efecto de la insulina sobre la lipólisis de los adipocitos  es significativo en la sensibilidad a la insulina sistémica y la intolerancia a la glucosa porque los ácidos grasos que son tomados por el hígado estimulan la gluconeogénesis hepática. El glicerol liberado por la lipólisis en los adipocitos es sustrato de la gluconeogénesis y, por tanto, también aumenta la producción hepática de glucosa.  Al menos 5 rutas que responden a la insulina que afectan el metabolismo del adipocito son disfuncionales en la obesidad. Estas incluyen: 1) elementos de la señal insulina a partir del receptor de insulina para la activación de la proteína quinasa Akt; 2) la expresión del transportador de glucosa GLUT4: 3) el tráfico intracelular del GLUT4 que aumenta su abundancia en la membrana plasmática en respuesta a la insulina; 4) la entrada y el metabolismo de glucosa que es convertida en ácidos grasos a través de la lipogénesis de novo y la esterificación de glicerol 3-fosfato con ácidos grasos; 5) la regulación de la expresión de muchas de las proteínas y reguladores de estas rutas a través de las acciones de factores de transcripción, algunos de los cuales responden a la acción de la insulina (por ejemplo, CHREBP y FOXO1). Estas disfunciones contribuyen a la resistencia a la insulina en el adipocito en algunos estadios de la obesidad aguda y crónica. 

   La sensibilidad a la insulina de la producción hepática de glucosa  involucra la acción directa sobre los hepatocitos a través de la señal de la proteína quinasa Akt y la acción indirecta a través de la acción de la insulina sobre los adipocitos para suprimir la liberación de ácidos grasos y glicerol. El efecto inhibidor de la insulina sobre la lipólisis es parcialmente mediado a través del sistema nervioso central en conjunción con mecanismos autónomos de las células. La estimulación por la insulina de la captación de glucosa y la lipólisis en los adipocitos genera glicerol 3-fosfato para la esterificación de ácidos grasos, proporcionando un tercer mecanismo para la disminución de la liberación de ácidos grasos por el tejido adiposo. Más aún, los ácidos grasos circulantes también generan resistencia a la insulina en el músculo esquelético a través de efectos autónomos sobre la captación y utilización de glucosa estimuladas por insulina. Entonces, está claro que la captación de glucosa y las rutas de lipólisis sensibles a insulina en adipocitos blancos están relacionadas con efectos secundarios de la respuesta a la insulina en hígado y músculo esquelético a través de la liberación de ácidos grasos y otros factores en el contexto de sobre nutrición. Estas consideraciones sugieren que la sensibilidad a la insulina de los adipocitos blancos es importante para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa en el cuerpo a través de regular indirectamente al hígado o al músculo esquelético.

   La activación de la Akt, el circuito de señalización requerido para la estimulación del transportador de glucosa GLUT4 y la captación de glucosa, a menudo está disminuida en los adipocitos de sujetos obesos resistentes a la insulina y modelos de roedores obesos de resistencia a la insulina. Por el contrario, el rol de la Akt sensible a la insulina en la regulación de la lipólisis tiene un soporte mixto, y la capacidad de la obesidad para afectar la ruta autónoma de la célula para la regulación de la lipólisis a través de la insulina opuesta a la re-esterificación de ácidos grasos, puede ser relativamente pequeña. La resistencia sistémica a la insulina ocurre pocos días después del inicio de una alimentación  rica en grasas en ratones para inducir obesidad, incluyendo déficit  de la estimulación por insulina de la captación de glucosa en adipocitos e intolerancia a la glucosa sistémica. Sin embargo, en estos primeros días, la resistencia a la insulina sistémica y en adipocitos ocurre en ausencia de disminución de la activación de la Akt en el tejido adiposo. Es más tarde en el desarrollo de la obesidad que se observa consistentemente la deficiencia en la activación de la Akt, lo cual puede contribuir a la resistencia a la insulina. Este período previo para la atenuación de la regulación de la Akt puede estar relacionado con el tardío desarrollo de la inflamación en el tejido adiposo. Las señales paracrinas de las células inmunes del tejido adiposo en obesidad parecen causar la disminución en los elementos de la señal insulina en los adipocitos así como también en otras rutas. En cualquier caso, los mecanismos de resistencia a la insulina en el adipocito que están en juego tempranamente en la obesidad, pueden continuar activos en las etapas más tardías.

   Además de los defectos en la ruta de la Akt que contribuyen a la resistencia a la insulina en los adipocitos, los datos indican que la maquinaria que maneja la translocación del GLUT4 a la membrana plasmática está alterada. Sin embargo, la etapa o las etapas en el tráfico de  GLUT4 defectuosa (s) ni la señal desencadenante en la obesidad han sido reveladas. Varias hipótesis han sido propuestas incluyendo la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) en estados de resistencia a la insulina, y la hipoxia del tejido adiposo. Aunque la insulina también inhibe la endocitosis de GLUT4, el efecto de la obesidad y la resistencia a la insulina sobre esa parte de la ruta no ha sido adecuadamente evaluado. Otro aspecto de alta importancia en la resistencia a la insulina en el adipocito blanco es el flujo de glucosa a partir de la captación en la membrana plasmática. Se asume mayoritariamente que el transporte de glucosa a través de la membrana plasmática del adipocito es la etapa limitante de la glucolisis, lo cual es apoyado por estudios que demuestran que la sobre expresión de GLUT4 en el adipocito aumenta el metabolismo de la glucosa y hasta la tolerancia a la glucosa sistémica. La carencia de GLUT4 en los adipocitos tiene el efecto opuesto. Por otra parte, la obesidad en humanos y roedores disminuye significativamente la expresión de enzimas de la ruta de conversión de glucosa en ácidos grasos (lipogénesis de novo), lo cual puede provocar cambios en el estado redox NADPH que afecta el metabolismo de la glucosa en la ruta de las pentosas. En conjunto, estos datos sugieren que la translocación defectuosa de GLUT4 en la obesidad atenúa el metabolismo de la glucosa así como también la biosíntesis, la esterificación y el secuestro de ácidos grasos que son aspectos claves de la resistencia a la insulina en el adipocito.

   Los efectos de la obesidad para atenuar elementos de la señal insulina y el metabolismo de la glucosa en los adipocitos pueden deberse a modificaciones alostéricas o covalentes de las proteínas involucradas en estos procesos. Una parte sustancial de la resistencia a la insulina en adipocitos en la obesidad de larga duración en humanos y modelos de roedores es  inicialmente manejada por el resultado de la regulación transcripcional de muchos productos de los genes. Muchos genes que normalmente responden al PPARγ, el mayor regulador de la diferenciación y función de los adipocitos, son atenuados en la obesidad en ratones. Recientemente, importantes hallazgos han demostrado que las regiones promotoras de los genes que responden al PPARγ que normalmente son ocupadas por este factor de transcripción, presentan disminución de tal ocupación en condiciones de obesidad inducida por dieta rica en grasas. Otros ejemplos de factores de transcripción en adipocitos que son blancos de la obesidad y, por tanto, disminuyen su expresión y/o actividad son CHREBP y FOXO1, los cuales controlan muchos genes de las rutas intracelulares en el adipocito. Estos y otros factores de transcripción en los adipocitos que son blanco de disrupción en la obesidad juegan roles importantes en los cambios de expresión de proteínas claves que regulan la señal insulina, la translocación de GLUT4 y el metabolismo de glucosa.

   Los adipocitos marrones y beige son extremadamente activos en la captación de glucosa, lo cual puede contribuir significativamente a la disposición de glucosa sistémica, al menos durante la exposición al frío. La señal insulina a través de la Akt que estimula la translocación de GLUT4 a la membrana plasmática opera en el TAM, pero aparentemente contribuye  menos a la captación total de glucosa en el TAM que en el TAB. La obesidad, como ocurre el TAB, atenúa esta ruta en el TAM. La estimulación de la inervación simpática en TAB o TAM activa una ruta dependiente de mTORC2 para causar el tráfico de GLUT1 a la membrana plasmática en adipocitos beige y marrones. Esto estimula significativamente la captación de glucosa y también activa la lipólisis y la hidrólisis de triglicéridos para proporcionar ácidos grasos como sustratos para la  respiración a través de la regulación al alza de UCP1. Las catecolaminas pueden paradójicamente aumentar la “aparente” sensibilidad a la insulina en adipocitos marrones y beige a través del incremento en la captación de glucosa en temperaturas por debajo de la termoneutralidad. Más aún, se ha revelado que la señal adrenérgica puede causar “marronización” y regulación al alza de UCP1 en el TAB a través de un mecanismo dependiente de mTORC1, una ruta que también responde a la insulina. La glucosa captada en adipocitos marrones y beige es oxidada y luego convertida por enzimas de la lipogénesis de novo en ácidos grasos, los cuales son rápidamente oxidados en las mitocondrias en la respiración. Los efectos de la obesidad sobre la translocación de GLUT1 y la utilización de la glucosa en el TAM han sido poco estudiados, pero los limitados datos disponibles indican que disminuye la captación de glucosa.

   En conclusión, la reducción del efecto de la insulina que disminuye la glucosa sanguínea causa resistencia a la insulina asociada con intolerancia a la glucosa en la obesidad. El tejido adiposo es un regulador central de la homeostasis sistémica de la glucosa a través del control del metabolismo del hígado y el músculo esquelético. La heterogeneidad del adipocito es requerida para mediar las múltiples rutas que controlan la tolerancia a la glucosa sistémica. Los adipocitos blancos están especializados en secuestrar triglicéridos para limitar la toxicidad en hígado, músculo esquelético y otros tejidos. Los adipocitos marrones/beige son muy activos tomando directamente la glucosa en respuesta a la señal insulina y β-adrenérgica y aumentando el gasto de energía. Los adipocitos blancos, marrones y beige muestran la característica común de secretar factores que actúan sobre tejidos distantes para controlar la homeostasis de la glucosa. La obesidad ejerce efectos perjudiciales sobre las funciones de estos adipocitos para causar resistencia a la insulina.

Fuente: Czech MP (2020). Mechanisms of  insulin resistance related to white, beige,  and brown adipocytes. Molecular Metabolism 34: 27-42.

Osciladores circadianos en el cerebro
La vida en este planeta está sometida a cambios dramáticos en las condiciones ambientales por la rotación de la tierra alrededor de su eje. Con la sucesión de día y noche, parámetros como iluminación, temperatura y humedad pueden ser alterados marcadamente. Para adaptarse a estas variaciones externas, los organismos han desarrollado sistemas internos  llamados relojes circadianos (del latín “circa diem” que significa aproximadamente un día) para medir el tiempo del día y coordinar temporalmente la fisiología y la conducta. Los relojes circadianos afectan un amplio espectro de funciones fisiológicas, desde el ritmo sueño-vigilia hasta la regulación del ciclo celular. La disrupción de los ritmos circadianos (por ejemplo, cambios horarios en la jornada de trabajo o durante el jet lag) puede tener consecuencias para la salud y el bienestar. Muchas enfermedades crónicas de la sociedad moderna como diabetes tipo 2 o desórdenes cardiovasculares son promovidos por la cronodisrupción,  es decir, la perturbación de la función del reloj interno o de la sincronización de este reloj con el tiempo externo.
   En los organismos multicelulares complejos como los mamíferos, los relojes moleculares se encuentran en la mayoría de, sino en todos, tejidos y células. Estos relojes están basados en un grupo de genes reloj, llamados Bmal1 (Brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1), Clock (Circadian locomotor output cycles kaput), Cry1, Cry2 (Criptochrome 1 and 2),  Per1, Per2 y Per3 (Period 1,2,3) y sus productos (proteínas) que codifican el tiempo a través de asas de retroalimentación transcripción-traducción (TTFL). En el asa del reloj de mamíferos, el heterodímero CLOCK:BMAL1 se une a elementos aumentadores  (E-boxes) que regulan la transcripción de los genes Per, Cry y otros genes controlados por reloj (CCG). Los dímeros PER:CRY se acumulan en el núcleo durante el día para inhibir la actividad del heterodímero CLOCK:BMAL1 y, por tanto, regular su propia transcripción. La degradación de los dímeros PER:CRY durante la segunda mitad del día es controlada por las caseína quinasas CKIδ y CKIε y determina la duración del período del reloj circadiano. En una segunda TTFL, los receptores orfan relacionados con el ácido retinoico (Rorα-γ) y eritroblastoma reversa (Rev-erbα/β, Nr1d1/2) compiten por la unión a los elementos de respuesta del receptor orfan relacionado con el ácido retinoico (RORE) en la secuencia del promotor de Bmal1 y, por tanto, estabilizan la TTFL, pues ROR activa mientras REV-ERB inhibe la transcripción de genes mediada por RORE. Adicionalmente, otra asa de retroalimentación actúa a través de la destrucción de (D)-boxes, los cuales han sido descritos en la secuencia del promotor de varios genes reloj. El factor nuclear, interleuquina 3 regulado (NFIL3, E4BP4) es represor, mientras la proteína de unión al promotor de albumina sitio D (DBP) es activador de D-boxes. Entonces, la actividad diurna de los genes reloj así como también la de  CCG es controlada a través de la unión de diferentes proteínas reguladoras a E-boxes, D-boxes o RORE. Para adaptar estas oscilaciones moleculares al tiempo externo, la TTFL circadiana puede ser “reseteada” por la luz como estímulo principal, pero también por otros estímulos como ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), monóxido de carbono (CO) y óxido nítrico (NO). La luz estimula la transcripción de genes Per en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo resultando en entrenamiento del marcapaso circadiano del ciclo día-noche. La inducción de  Per es mediada por la interacción de la proteína de unión a los elementos de respuesta de cAMP (CREB) y la proteína quinasa activada por mitogenos (AMPK) con los elementos de respuesta de cAMP (CRE)  en la secuencia promotor de Per1 y Per2. Los PUFA activan receptores activados por proliferador de peroxisoma (PPAR), los cuales estimulan la transcripción de Bmal1. Adicionalmente, los PPAR tienen influencia sobre otros componentes reloj como PER2 y REV-ERBα. Las rutas de señalización CO y NO, permiten la producción de guanosina monofosfato cíclico (cGMP), el cual activa la proteína quinasa G para inducir cambios de fase.
   Los relojes celulares organizan funciones celulares a través de la regulación de  extensos programas transcripcionales  tejido-específicos; se estima que más de 40% de todos los genes que codifican  proteínas están sujetos a regulación circadiana al menos en un tejido del cuerpo. La cronodisrupción puede afectar al sistema reloj en diferentes niveles. Por ejemplo, la contaminación lumínica afecta relojes centrales en el cerebro, pero adicionalmente también puede afectar indirectamente relojes periféricos,  mientras la ingesta de alimentos es un sincronizador (o Zeitgeber) dominante para los relojes de tejidos periféricos.
   La red estructural del sistema circadiano de mamíferos está organizado de manera jerárquica. En la punta está el NSQ, una estructura bilateral de neuronas densamente agrupadas en la región ventromedial frontal del hipotálamo sobre el quiasma óptico. El NSQ recibe impulsos luminosos directamente de las células ganglionares de la retina intrínsecamente sensibles a la luz (ipRGC) que expresan el fotopigmento melanopsina (OPN4). Las ipRGC son más sensibles en el rango azul del espectro visible (ƛmax = 480 nm) y capaces de integrar información luminosa por largos períodos de tiempo. A través del tracto retino-hipotalámico, las ipRGC resetean relojes en el NSQ, entrenándolos directamente con el ciclo luz-oscuridad externo. La oscilación endógena de los relojes del NSQ determinan los ritmos conductuales y fisiológicos en el animal. Las lesiones quirúrgicas del NSQ resultan en aritmicidad circadiana conductual y molecular, aunque los ritmos de períodos cortos para algunos parámetros pueden ser preservados. A partir del NSQ, las conexiones neuronales y humorales alcanzan relojes celulares subordinados en el cerebro y la periferia, alineándose unos con otros y con el tiempo externo.
   Los estudios neuronales demuestran que el NSQ envía proyecciones predominantemente a otras regiones hipotalámicas, pero también alcanza otras regiones cerebrales como, por ejemplo, el núcleo paraventricular del tálamo (PVT) y la región periacueductal (PAG).  Las proyecciones del NSQ a la zona subparaventricular (sPVZ) están involucradas en la generación de ritmos reposo-actividad. Las proyecciones del NSQ al hipotálamo dorsomedial (HDM) y posteriormente al locus coeruleus (LC) conjuntamente con las proyecciones del NSQ al hipotálamo lateral regulan el alerta y por tanto la conducta sueño-vigilia. Las proyecciones directas del NSQ al núcleo preóptico ventrolateral (VLPO) son conocidas. Sin embargo, las proyecciones indirectas del NSQ a VLPO vía, por ejemplo, HDM y área preóptica medial aparentemente regulan el sueño. Adicionalmente, el NSQ envía proyecciones al núcleo preóptico medial (NPM) y al núcleo anteroventral paraventricular (AVPV). Más aún, el NSQ inerva al núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo y, por tanto, regula varios ejes hormonales así como también la liberación de melatonina, la cual a su vez regula al NSQ. Las señales aferentes del NSQ se originan en las ipRGC de la retina que contienen melanopsina, así como también estímulos metabólicos vía núcleo arqueado (ARC). Los mecanismos de comunicación con la red de relojes circadianos del cuerpo son pobremente entendidos. Los factores involucrados son la activación autonómica, la temperatura corporal, factores endocrinos como melatonina y glucocorticoides (GC), pero también funciones conductuales como el ciclo sueño-vigilia o el tiempo de ingesta de alimentos.
   Algunos Zeitgebers son capaces de afectar el sistema de relojes circadianos sin actuar a través del NSQ. Por ejemplo, el tiempo de ingesta de alimentos es un potente sincronizador de relojes circadianos de tejidos periféricos con poco efecto sobre el NSQ. En condiciones extremas, como alimentación restringida a la fase de reposo, esto puede provocar un desacoplamiento completo entre el reloj central y los relojes periféricos. Esta cronodisrupción interna puede ser una de las razones subyacentes de la alta prevalencia de desórdenes metabólicos en los trabajadores nocturnos. Por otra parte, trabajos recientes en roedores sugieren que la luz puede ajustar la transcripción de los genes reloj en tejidos periféricos de una manera independiente de la función del NSQ. Por otra parte, es bien conocido que el NSQ se comunica con otros osciladores circadianos en el sistema nervioso central (SNC) así como también con relojes periféricos. La señal de los osciladores extra-NSQ del SNC modulan funciones neuronales (como cognición, humor, etc.) pero también se comunican con osciladores de tejidos periféricos  a través de la  inducción de ritmos conductuales (por ejemplo, sueño, ingesta de alimentos, etc.) o ritmos neurohumorales (temperatura, melatonina, etc.). Los relojes de tejidos periféricos regulan funciones fisiológicas y ritmos (hormonas, metabolismo energético, inmunidad, etc.).
   Tradicionalmente, el rol principal en la coordinación de los relojes circadianos ha sido asignado al NSQ y su entrenamiento por la luz. Actualmente, con el desarrollo de herramientas experimentales para estudiar la función de relojes en tejidos específicos, está demostrado que los relojes tisulares continúan midiendo el tiempo aun cuando son removidos del cuerpo y la principal tarea del NSQ es la coordinación de los diferentes relojes de tejidos periféricos con el tiempo externo. Más aún, la ablación tejido-específica de la función reloj  ha sido usada para identificar roles fisiológicos para relojes tejido-específicos. Por ejemplo, la ablación de la función reloj en células hepáticas, impacta el manejo de la glucosa a través de la regulación de la expresión de transportador de glucosa en los hepatocitos. La pérdida de la función reloj en células β pancreáticas también impacta sobre el metabolismo de la glucosa inhibiendo la secreción de insulina y, por tanto, la disposición de glucosa postprandial. En el sistema inmune, los relojes específicos de tipo de célula han sido implicados en  migración celular y defensas inmunes. La mayoría de estos estudios se han ocupado de tejidos y células de la periferia, mientras los aspectos más visibles del reloj circadiano –del sueño al apetito y la regulación de la temperatura- son funciones del NSQ.
   La retina fue el primer tejido neuronal fuera del NSQ en el que se demostró un ritmo circadiano endógeno y autónomo de síntesis de melatonina in vitro. A partir de este hallazgo, se demostró que una variedad de regiones en el cerebro presentan oscilaciones. En ratones, de 27 regiones cerebrales estudiadas, 14 presentaron ritmicidad. Con excepción de unas pocas regiones cerebrales extra-NSQ, la ritmicidad se pierde después de la ablación quirúrgica o genética del NSQ.  Estos relojes fueron llamados osciladores secundarios. La única región, además del NSQ, que reúne todas las características de marcapaso circadiano es el bulbo olfatorio (BO). La investigación ha demostrado que la ritmicidad del BO es autónoma, entrenable y compensada por temperatura. Los ritmos de expresión de los genes reloj en el BO responden a la luz. Estos ritmos persisten en ratones con lesiones en el NSQ, pero la ritmicidad en la corteza piriforme es abolida por la bulbectomía. Por otra parte, la restricción de alimento induce ritmos en la corteza cerebral en ratones con lesiones en el NSQ. La actividad de la corteza cerebral muestra un patrón diurno en humanos y se especula que podría estar bajo control circadiano dependiente de GC. En la corteza prefrontal, el estrés induce la expresión de mARN de Per1 independiente de adrenalectomía en ratones. Las hormonas gonadales pueden jugar un rol en este contexto.
   El hipocampo, una estructura clave en la formación de la memoria, expresa rítmicamente todos los componentes reloj. Estos ritmos persisten en oscuridad constante y en cortes en cultivo por varios días. La melatonina puede resetear los relojes del hipocampo, pero la pinealectomía no afecta marcadamente  la ritmicidad de las proteínas reloj. La amígdala es otra estructura subcortical del sistema límbico que muestra ritmos de expresión de las proteínas reloj dependientes de un NSQ funcional. Los ritmos de los relojes de la amígdala son entrenados por los GC, pero la adrenalectomía elimina los ritmos exclusivamente en el núcleo central pero no en la amígdala basolateral. Más aún, los ritmos en la amígdala y en el núcleo del lecho de la estría terminal (BNST) desaparecen después de tiroidectomía y paratiroidectomía, pero no después de pinealectomía. La alimentación restringida por tiempo restaura los ritmos en la amígdala y el BNST de animales adrenalectomizados. Más aún, los relojes de ambos tejidos son sensibles a los esteroides sexuales.
   El núcleo acumbens (NAc) y el caudado putamen en el estriado, una región que coordinan múltiples funciones de cognición y motivación. Los patrones de  expresión de genes reloj en el NAc son alterados por una dieta rica en grasa/rica en azúcar en ratas. Adicionalmente, los cortes de putamen exhiben ritmicidad a pesar de carecer del impulso dopaminérgico, el cual ha sido señalado como el mayor regulador de este reloj cerebral. Por tanto, aun no se sabe exactamente como son entrenados los relojes del cerebro estriatal. Por otra parte, aún no está claro como la habénula lateral (LHb) del epitálamo guarda el tiempo. Los estudios iniciales demostraron un ritmo circadiano en las tasas de disparo en sincronía con el NSQ y respuesta fótica de la habénula de rata, mientras otros estudios no encontraron incremento en la expresión de cFOS por la luz en ratones. En este contexto, algunos investigadores sugieren una mayor influencia de señales intrínsecas en comparación con los neurotransmisores derivados del NSQ o de la información visual en la LHb. La LHb, entonces, parece ser un reloj cerebral bastante autónomo y auto-sostenido: las oscilaciones ex-vivo persisten  de manera independiente de potenciales de acción aun cuando son preparaciones obtenidas de animales con ablación del NSQ. Sin embargo, el impulso del NSQ es necesario para mantener en sincronía dos relojes distintos en la habénula. Las dietas obesogénicas provocan la abolición de la ritmicidad en la LHb indicando una sensibilidad a impulso derivado de nutrientes.
   En el hipotálamo, muchos osciladores circadianos extra-NSQ son particularmente sensibles al estado metabólico o al tiempo de alimentación. Los ritmos detectados en las regiones dorsomedial, lateral y ventromedial del hipotálamo son débiles en los animales bajo condiciones de alimentación restringida en el tiempo. El ARC  es una región crítica para el control de la homeostasis. A pesar de su robusta ritmicidad en vitro, el ARC pierde las oscilaciones de los genes reloj cuando se restringe el alimento durante el día en animales nocturnos. La disrupción genética del reloj del NSQ no elimina completamente la liberación rítmica de dopamina en el ARC indicando una maquinaria reloj semi-autónoma. No obstante, el corte de las conexiones entre el ARC y el NSQ resulta en desincronización del primero.  Las regiones hipotalámicas son importantes centros de control de muchas funciones fisiológicas rítmicas. Por tanto, no es sorprendente que la mayor parte de las áreas hipotalámicas presenten oscilaciones pronunciadas. Los osciladores del cerebro medio están menos caracterizados y la evidencia de ritmicidad es a menudo vaga. Por ejemplo, cortes de sustancia nigra son arítmicos en algunos estudios, y rítmicos en otros estudios aún en ratas con lesiones en el NSQ. La expresión de genes circadianos ha sido demostrada en regiones del cerebro anterior y el tálamo. En conjunto, está claro que los relojes circadianos están distribuidos a través del cerebro. La mayoría de estos osciladores dependen fuertemente del NSQ. Sin embargo, algunos de estos osciladores extra-NSQ muestran cierta autonomía y aparentemente son sensibles a Zeitgebers no fóticos. 
   En conclusión, el sistema reloj circadiano de mamíferos se basa en osciladores celulares que se encuentran en todos los tejidos del cuerpo y están organizados de una manera jerárquica. Un marcapaso master localizado en el NSQ sincroniza los relojes de tejidos periféricos y los osciladores extra-NSQ en el cerebro unos con otros y con el tiempo externo. Diferentes sincronizadores (o Zeitgebers) como la luz, la ingesta de alimentos, la actividad y las señales hormonales resetean el sistema reloj a través del NSQ  o por acción directa en el reloj del tejido. Varios osciladores extra-NSQ en el cerebro han sido caracterizados en términos de regulación de ritmos circadianos.  Algunos de ellos son inervados directamente por el NSQ, mientras otros reciben indirectamente impulsos del NSQ a través de otros circuitos neurales o estructuras extra-cerebrales. La función fisiológica específica de estos osciladores cerebrales extra-NSQ así como su rol en la regulación de la red de relojes circadianos no están muy claros.
Fuente: Begemann K et al (2020). Regulation and function of extra-SCN circadian oscillators in the brain. Acta Physiologica 229: 1-14.