Diabetes, hipoglucemia y arritmias cardíacas

La diabetes tipo 1 (DT1) y tipo 2 (DT2) se caracterizan por elevados niveles plasmáticos de glucosa. Los estudios prospectivos han reconocido que el control glucémico reduce el riesgo de enfermedad microvascular en los pacientes recién diagnosticados con DT2. En los pacientes que reciben  tratamiento, hay una significativa reducción de infarto de miocardio y  mortalidad cardiovascular. No obstante, los estudios que exploran el efecto del control glucémico  intensivo versus control glucémico menos intensivo demuestran que la terapia con control glucémico menos intensivo  falla en reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular y la mortalidad cardiovascular. Por otra parte, en el estudio Action to Control Cardiovascular Risk in Diabetes (ACCORD) de 2008, el control glucémico intensivo resultó en un significativo incremento en todas las causas de mortalidad, especialmente la mortalidad cardiovascular aumentó 35% en comparación con los pacientes con terapia estándar, lo cual provocó la suspensión  temprana de la investigación. Los dos grupos del estudio ACCORD fueron tratados con insulina, sulfonilureas, metformina y tiazolidinedionas. Desde que el estudio ACCORD fue descontinuado, dos nuevas clases de drogas reductoras de la glucemia (péptido similar a glucagón 1 (GLP-1) e inhibidores del co-transportador sodio-glucosa 2) han demostrado tener efectos beneficiosos sobre la morbilidad y mortalidad cardiovascular en los pacientes con DT2. Los efectos beneficiosos sobre la enfermedad cardiovascular son independientes de reducciones de HbA_1c. Algunos estudios sugieren que un marcado incremento en la incidencia de hipoglucemia puede contribuir con el aumento en la mortalidad cardiovascular.

   Un potencial mecanismo por el cual la hipoglucemia puede incrementar la mortalidad cardiovascular en pacientes con diabetes es a través de la inducción de arritmias cardiacas fatales. La hipoglucemia inducida por insulina ha sido asociada con muerte súbita nocturna en pacientes con DT1, el llamado “síndrome muerte en cama”. Los datos epidemiológicos demuestran que la muerte súbita inexplicable puede aumentar hasta 10 veces en la DT1 en comparación con individuos sin diabetes. Sin embargo, dado que las arritmias cardíacas son relativamente raras y pueden ser clínicamente asintomáticas, es difícil demostrar una relación causal directa.

   La ruta completa de hipoglucemia a arritmia cardiaca fatal ha sido explorada en estudios preclínicos en ratas. Durante un clamp hiperinsulinémico hipoglucémico con glucosa plasmática de 0,6-0,8 mol/l, el patrón de anormalidades electrocardiográficas mostró como cambio inicial una prolongación del intervalo Q-T, seguida por incremento en el número de contracciones atriales y ventriculares prematuras y bloqueo atrioventricular (AV) de primer grado. Esto fue seguido ocasionalmente por taquicardia ventricular no sostenida antes de avanzar a bloqueo AV de segundo y tercer grado. Antes de llegar al paro cardiorrespiratorio, se registró un electrocardiograma (ECG) de bajo voltaje con una marcada reducción de la frecuencia cardiaca. Cuando los niveles cerebrales de glucosa se mantuvieron en el valor basal a través de una infusión intracerebroventricular de glucosa, la respuesta adrenérgica durante la hipoglucemia fue atenuada marcadamente y la incidencia de arritmias y mortalidad cardíacas se redujo significativamente. Más aún, la infusión intravenosa de bloqueadores alfa/beta o bloqueadores beta previene completamente la muerte durante la hipoglucemia y la suplementación intravenosa de potasio tiende a reducir la mortalidad. Estos hallazgos indican que las arritmias cardiacas durante la hipoglucemia inducida por insulina son mediadas a través de la activación central del sistema nervioso simpático, lo cual resulta en la estimulación directa del corazón y  efectos indirectos  a través de un marcado incremento plasmático de catecolaminas. El rol de las reducciones plasmáticas de potasio es menos claro. 

   En ratas diabéticas tratadas con estreptozotocina, la deficiencia de insulina duplicó el riesgo de bloqueo AV de tercer grado y muerte durante la hipoglucemia en comparación con ratas no diabéticas. Sin embargo, los antecedentes de hipoglucemia atenuaron la respuesta simpatoadrenal a la hipoglucemia severa, lo cual puede servir como un mediador de arritmias cardiacas durante la hipoglucemia. Aunque los estudios enfatizan un rol central para las catecolaminas durante la hipoglucemia severa, un estudio reciente contradice este hecho. Cuando se realiza clamp hiperinsulinémico hipoglucémico en ratas no diabéticas, ni la desmedulación adrenal ni la simpatectomía química reducen la incidencia de arritmias cardiacas o muerte ni previenen la prolongación QT. Por el contrario, la vagotomía de lado izquierdo disminuye hasta siete veces la mortalidad, cuatro veces el bloqueo AV de primero y segundo grado y elimina completamente el bloqueo AV de tercer grado. Asimismo, el bloqueo farmacológico de los receptores nicotínicos previene la muerte y previene casi completamente cualquier arritmia. Estos hallazgos indican un fuerte rol del sistema nervioso parasimpático como mediador de las arritmias cardiacas durante la hipoglucemia.

   El intervalo QT ha demostrado ser un predictor de mortalidad cardiovascular en pacientes con diabetes. Como se ha observado en algunos estudios preclínicos, la prolongación del intervalo QT durante la hipoglucemia parece ser mediado a través de estimulación simpatoadrenal. Está demostrado que el bloqueo beta-adrenérgico con atenolol por una semana previene la prolongación del intervalo QT durante la hipoglucemia en individuos sanos. Esto explica la gran variación en la prolongación del intervalo QT durante la hipoglucemia, pues la magnitud de la respuesta simpatoadrenal durante la hipoglucemia depende de varios factores. Está bien establecido que la exposición frecuente o reciente a hipoglucemia atenúa la respuesta simpatoadrenal durante un episodio de hipoglucemia. Los pacientes con DT1 exhibe una liberación reducida de catecolaminas y una reducción de la prolongación del intervalo QT durante la hipoglucemia en comparación con sujetos sanos, y esto amplifica la duración de la  enfermedad. Adicionalmente, está demostrado que el desarrollo de neuropatía cardiaca autónoma reduce la prolongación del intervalo QT durante la hipoglucemia. Estos resultados indican que la mayor prolongación del intervalo QT durante un episodio espontaneo de hipoglucemia inducida por insulina se puede encontrar en pacientes relativamente jóvenes con diabetes de corta duración.

   La duración del episodio de hipoglucemia también puede jugar un rol importante en la extensión de la prolongación del intervalo QT. En un estudio en humanos, se observó una progresiva prolongación del intervalo QT cuando la glucosa plasmática se mantuvo en un nivel estable de <3,0 mmol/l por 80 minutos, indicando un incremento en el riesgo de arritmias cardiacas durante períodos prolongados de hipoglucemia. Otro estudio sugiere que la tasa de disminución en la glucosa plasmática puede afectar el tiempo de inicio de la prolongación del intervalo QT. En este estudio, la administración intravenosa de insulina resultó en una rápida disminución en la glucosa plasmática  y una significativa prolongación del intervalo QT en un nivel plasmático de glucosa de 7,2 mmol/l. Estos resultados indican un rol para un pobre control glucémico con grandes y las rápidas fluctuaciones glucémicas en las prolongaciones del intervalo QT.

   Durante la hipoglucemia, además de cambios en el intervalo QT, ocurren otros cambios electrocardiográficos, incluyendo un aumento en la dispersión QT y cambios en la morfología de la onda T. Estos hallazgos indican una repolarización anormal durante la hipoglucemia. Otro hallazgo consistente durante la hipoglucemia experimental es una significativa reducción en el potasio plasmático, lo cual potencialmente induce prolongación del intervalo QT. Sin embargo, en un estudio con pacientes con DT2, los cambios en el potasio plasmático no se correlacionaron con prolongación del intervalo QT y, en un estudios que incluyó individuos sanos, mientras los incrementos en la dispersión QT fueron prevenidos con una infusión de potasio, el intervalo QT no fue afectado. En otro estudio, la administración de insulina subcutánea a pacientes con DT1 provocó significativas prolongaciones del intervalo QT durante la hipoglucemia en comparación con la euglucemia.

   En los estudios de hipoglucemia inducida experimentalmente, la prolongación del intervalo QT es un hallazgo casi consistente en los pacientes con DT1 y DT2.  No obstante, los resultados son conflictivos. Estos resultados conflictos pueden ser explicados en gran parte por problemas metodológicos. En atención a esta situación, varios estudios han tratado de relacionar la hipoglucemia espontanea con episodios clínicos de arritmias cardiacas bajo circunstancias de la vida real con el   empleo concomitante de  Holter y monitoreo continuo de glucosa (CGM). En pacientes con DT2 tratados con insulina y cinco días con monitoreo con Holter y CGM, la incidencia de bradicardia durante la hipoglucemia nocturna fue ocho veces mayor en comparación con los períodos euglucémicos. Más aún, un incremento significativo en latidos ectópicos auriculares y latidos ventriculares prematuros fue detectado durante la hipoglucemia nocturna. Durante el día, fue detectado un pequeño, pero significativo, incremento de latidos ventriculares prematuros. Las diferencias entre los episodios diurnos y nocturnos han sido explicadas por una insuficiente respuesta contrarreguladora durante el sueño resultando en episodios de hipoglucemia nocturna de duración  prolongada con múltiples y bajos nadires. Durante los episodios nocturnos de hipoglucemia hay un patrón inicial de aceleración cardiaca transitoria en el nadir de glucosa plasmática seguido por un incremento de acción vagal asociado con bradicardia. La bradicardia durante la hipoglucemia nocturna puede ser explicada por una retracción simpática seguida por una sobre compensación vagal. Un patrón  similar de un incremento inicial en la frecuencia cardiaca seguido por reactivación vagal y disminución de la frecuencia cardiaca fue reproducido en pacientes con DT2 durante un clamp hipoglucémico. Los participantes sanos mostraron una continua retracción vagal a través del período hipoglucémico. Algunos investigadores sostienen que el incremento en el riesgo de bradicardia puede aplicar solamente a ciertos individuos altamente susceptibles a la bradicardia.

   Aunque han ocurrido considerables avances en el tratamiento de la diabetes en los años recientes, incluyendo análogos de insulina más estables, bombas de insulina y monitoreo CGM, la hipoglucemia se mantiene como riesgo inevitable en los pacientes con diabetes tratada con insulina. Presumiblemente, solo una pequeña proporción de pacientes  con diabetes desarrollan arritmias cardiacas potencialmente fatales durante condiciones hipoglucémicas y estos pacientes son difíciles de identificar. Múltiples factores pueden afectar el riesgo individual de desarrollar arritmias cardiacas durante un episodio de hipoglucemia. Los factores genéticos afectan la función de los canales iónicos cardiacos y la fibrosis cardiaca ha sido sugerida como factor predisponente subyacente. Más aún, en los pacientes con DT2, o DT1 de larga duración, con enfermedad cardiovascular, la remodelación estructural y funcional que resulta en un sustrato isquémico para taquicardias ventriculares también puede ser un factor importante.

   Al menos durante el día, una respuesta contrarreguladora durante la hipoglucemia con una gran respuesta simpatoadrenal parce ser un factor esencial para los cambios electrocardiográficos reportados en los estudios clínicos. Teóricamente, las arritmias cardiacas diurnas ocurren más comúnmente en pacientes no expuestos frecuentemente a hipoglucemia quienes han experimentado un episodio de severa hipoglucemia, como jóvenes, pacientes recién diagnosticados con DT1. En algunos estudios, el uso de beta-bloqueadores incrementa la incidencia de hipoglucemia severa y aumenta el riesgo de eventos cardiovasculares. Sin embargo, el efecto cardiovascular de los beta-bloqueadores en pacientes con diabetes es ambiguo.

   Mientras la activación simpatoadrenal tradicionalmente ha sido considerada como el mediador clave de las arritmias cardiacas inducidas por hipoglucemia, varios estudios sugieren que el sistema nervioso parasimpático puede ser responsable de bradi-arritmias nocturnas. Estos estudios indican dos mecanismos completamente diferentes para el desarrollo de arritmias cardiacas durante el día y la noche. En el estado de vigilia, un marcado incremento en catecolaminas durante los episodios de hipoglucemia resulta en un incremento en la respuesta cardiaca y en el intervalo QT, el cual es un factor de riesgo bien establecido de arritmias ventriculares. En la noche, la respuesta simpatoadrenal es menor y las prolongaciones del intervalo QT son menos pronunciadas. Esta respuesta inicial es seguida por un incremento en la actividad vagal que resulta en bradicardia. Los estudios preclínicos indican que la bradicardia puede ser la etapa inicial de bloqueo AV de alto grado y paro cardiaco durante la hipoglucemia severa.  Una respuesta simpática relativa brusca durante episodios prolongados de hipoglucemia puede provocar agotamiento simpatoadrenal y una sobre estimulación parasimpática compensadora y eventualmente una cascada de bradi-arritmias y paro cardiaco como se ha visto en los estudios preclínicos. No obstante es necesario reconocer que existe un gran “gap” entre el incremento en el riesgo de bradicardia durante la hipoglucemia nocturna reportado en los estudios observacionales de la vida real y las bradi-arritmias fatales observadas durante la hipoglucemia severa en modelos de roedores. Aunque una considerable cantidad de evidencias apoya el concepto que la hipoglucemia puede inducir arritmias cardiacas en los pacientes con diabetes, una relación causal directa entre hipoglucemia y arritmias cardiacas clínicamente relevantes que requieren intervención aún no ha sido demostrada.

   En conclusión, si la hipoglucemia es una causa de arritmias cardiacas fatales en diabetes o simplemente un marcador de vulnerabilidad, es aún desconocido. Los estudios han investigado la asociación entre hipoglucemia y arritmias cardiacas. En modelo de roedores, la hipoglucemia severa resulta en un patrón específico de arritmia cardiaca incluyendo prolongación del intervalo QT, taquicardia ventricular, bloqueo AV de segundo y tercer grado y paro cardiorespiratorio. En estudios clínicos de hipoglucemia inducida experimentalmente en pacientes con diabetes, la prolongación del intervalo QT, un factor de riesgo de arritmias ventriculares,  es un hallazgo casi consistente. Los estudios observacionales indican diferencias diurnas en el patrón de alteraciones electrocardiográficas durante la hipoglucemia con prolongaciones del intervalo QT de mayor extensión, mientras el riesgo de bradi-arritmias puede aumentar durante el sueño. Los períodos diurnos de hipoglucemia se caracterizan por ser de corta duración, incrementar la vigilia y grandes incrementos de catecolaminas. La respuesta contrarreguladora es reducida durante los episodios nocturnos de hipoglucemia, resultando en períodos prolongados de hipoglucemia con múltiples nadires. La actividad simpática inicial en el nadir de glucosa plasmática es reemplazada por un incremento en la actividad vagal, lo cual resulta en bradicardia.   Aunque la evidencia experimental sugiere que la hipoglucemia puede inducir arritmias cardiacas en los pacientes con diabetes, aun no se ha demostrado una relación causal directa.

Fuente: Andersen A et al (2020). Hypoglycaemia and cardiac arrithmias in diabetes. Therapeutic Advances in Endocrinology and Metabolism 11:1-11.

 

Metabolismo y función de la histidina

La histidina fue aislada por primera vez a partir de protamina de salmón por Albrecht Kossel en 1896. El nombre histidina deriva de la palabra griega histion que significa tejido. Es un aminoácido básico con una cadena lateral imidazol. La pK para la cadena lateral del aminoácido libre es 6,0 y tanto la forma neutra como la forma protonada están presentes a pH fisiológico. La cadena lateral imidazol de la histidina  proporciona funciones que no presentan otros aminoácidos, como catálisis en la tríada catalítica de serina proteasas. Las histidinas proximal y distal de las cadenas β-globina de la hemoglobina juegan roles esenciales en la oxigenación, más que en la oxidación, de la hemoglobina en condiciones fisiológicas. El contenido de histidina en las diferentes proteínas puede variar  desde 73% del total de aminoácidos en la proteína rica en histidina del Plasmodium lophurae hasta virtualmente ninguna histidina en algunas elastinas de mamíferos. En la dieta, la histidina se encuentra en forma libre y unida a proteína y también se puede obtener a partir de proteólisis de proteínas endógenas y por hidrolisis de péptidos que contienen histidina en la dieta. Además de su rol en la síntesis de proteínas, la histidina puede ser convertida en histamina o carnosina y el exceso puede ser catabolizado.

   En la ruta del metabolismo de la histidina, la histidasa (histidina amonio liasa) es la primera y principal enzima reguladora, produciendo amonio y trans-urocanato. Es una enzima citosólica que se encuentra principalmente en la piel y el hígado, con un Km para histidina en el rango de 1-4 nM. Las histidasas de la piel y el hígado son expresadas por el mismo gen. La histidasa contiene un aminoácido inusualmente modificado, dehidroalanina, el cual es producido a partir de la serina. El trans-urocanato es convertido no enzimáticamente en cis-urocanato en la piel por la luz UV (270-320 nm), lo cual sugiere que puede servir como un protector natural contra la luz solar. Alternativamente, puede jugar un rol en la inmunosupresión inducida por la irradiación UV.  Un reporte reciente sugiere que el cis-urocanato actúa sobre los keratinocitos humanos generando especies reactivas de oxígeno (ROS), las cuales a su vez resultan en una modulación transitoria de la señal del receptor del factor de crecimiento epidermal (EGF), seguido por la inducción de la síntesis de PGE₂ y el incremento de la muerte celular por apoptosis.

   Los pacientes con histidinemia tienen concentraciones sanguíneas de histidina en un rango de 290 a 1420 µM en comparación  con sujetos sanos que tienen 70-120 µM de histidina. Cuando las concentraciones de histidina en plasma y tejidos se vuelven suprafisiológicas, la histidina puede ser transaminada a ácido imidazolepirúvico, el cual puede ser detectado en la orina de estos pacientes. Los productos de la transaminación de la histidina son detectados en orina solamente si la concentración de histidina es muy alta como en los pacientes con histidinemia.

   El trans-urocanato es hidrolizado en el hígado por la urocanasa para formar 4-imidazolone-5-propionato, el cual a su vez es convertido en formiminoglutamato (FIGLU). La urocanasa tiene una alta afinidad por su sustrato, la enzima humana tiene un Km de ~2,2 µM para urocanato. La próxima etapa involucra el metabolismo de un carbono como el grupo formimino del FIGLU que es transferido a tetrahidrofolato (THF) para producir 5´10´-metenil-THF, glutamato y amonio. Esta etapa acopla el metabolismo de la histidina con el metabolismo de un carbono porque el 5,10-metenil-THF formado por el catabolismo de la histidina puede ser metabolizado a una variedad de productos. El 5,10-metenil-THF puede ser reducido a 5,10-metilene-THF que puede ser usado para la síntesis de timidina, o puede ser reducido a 5-metil-THF que puede metilar homocisteína a metionina. La metionina puede ser convertida en S-adenosilmetionina, el principal donador de grupos metilo para reacciones de transmetilación en el cuerpo. El 5,10-metenil-THF también puede ser oxidado a 10-formil-THF, el cual es usado directamente para la síntesis de purinas, como ATP y GTP. El requerimiento de THF como sustrato para la glutamato formiminotransferasa implica que la deficiencia de folato puede limitar el catabolismo de la histidina. La evidencia sobre este punto es proporcionada por el incremento en la excreción urinaria de FIGLU en individuos con deficiencia de folato. El glutamato, el otro producto de la glutamato formiminotransferasa, es usado para muchas funciones, incluyendo la gluconeogénesis.

   En común con muchas enzimas del catabolismo de aminoácidos, la histidasa hepática es regulada hormonalmente. La actividad de la histidasa  es aparente en el hígado de la rata a partir del cuarto  día postparto e incrementa hasta la pubertad. La maduración sexual en la rata femenina está acompañada por un incremento en la actividad enzimática en el hígado manejado por estrógenos. Los glucocorticoides y los estrógenos inducen la síntesis de histidasa en el hígado.

   El flujo total de grupos de 1C en el metabolismo de un carbono es estimado en ~26mmol/d (purinas 5,5; timidilato 6,2; grupos metilo 14,5 mmol/d) en humanos. En comparación, la ingesta diaria de histidina es ~19 y ~13 mmol/d en hombres y mujeres, respectivamente. En el estado estacionario, el flujo de aminoácidos a proteínas es igual al de la proteólisis y, asumiendo que el flujo de histidina a otros productos es relativamente menor, se puede concluir que el catabolismo de la histidina proporciona ≤75 % de los grupos de un carbono necesarios. Sin embargo, hay otras fuentes de grupos de un carbono, de las cuales la serina es considerada la más significativa. El pool de un carbono se está llenado continuamente a partir de una variedad de fuentes y es usado para propósitos metabólicos, el exceso de unidades de 1C es oxidado a dióxido de carbono. La histidina contribuye con una proporción relativamente pequeña de los grupos de 1C para la remetilación de homocisteína y la síntesis de purinas y timidilato.

   En la ruta catabólica de la histidina en el hígado se han reportado mutaciones genéticas en tres enzimas: histidasa, urocanasa y glutamato formiminotransferasa. Los tres desórdenes son relativamente benignos, aunque muchos de los pacientes presentan retraso mental, el cual puede ser independiente de los defectos enzimáticos. La histidinemia resulta a partir de la disminución de la actividad de la histidasa y se caracteriza por incrementos en la concentración de histidina en la sangre y la orina y disminución en la concentración de urocanato en la sangre y la piel. La aciduria urocánica es causada por un defecto en la enzima urocanasa, la cual es codificada por el gen urocanato hidratasa 1(UROC1). La aciduria formiminoglutámica, debida a deficiencia de glutamato formiminotransferasa, se caracteriza por incrementos en la excreción de FIGLU. La enzima glutamato formiminotransferasa, codificada por el gen formimidoiltransferasa ciclodesaminasa (FTCD), es una proteína bifuncional (formiminotransferasa-ciclodesaminasa) en la cual el primer dominio libera glutamato y el segundo dominio produce amonio y 5,10-metenil-THF.

   La cadena lateral imidazol de la histidina en  proteínas como la actina, puede ser metilada en la posición N-3, usando S-adenosilmetionina como donador de grupos metilo. Un estudio reciente reporta el aislamiento de la enzima, proteína que contiene dominio SET-3 (SETD3), la cual puede llevar a cabo esta metilación y demuestra que esta modificación post-translacional es importante para la contracción del músculo liso. Hasta ahora, ninguna función conocida ha sido atribuida a los residuos 3-metilhistidina. Cuando la proteína modificada es degradada, la 3-metilhistidina es liberada intacta y excretada en la orina, proporcionando una estimación útil de la degradación de proteínas del músculo.

   El músculo esquelético de la mayoría de vertebrados contiene cantidades significativas (1-16 g/kg) de ≥1 de los dipéptidos que contienen histidina (carnosina, anserina y ofidina/balenina). En músculo humano, solamente está presente la carnosina, β-alanil-L-histidina, pero la mayoría de mamíferos también contienen 1 de los derivados metilados anserina u ofidina/balenina. Hay cantidades significativas de dipéptidos que contienen histidina en la mayoría de  carnes y pescados que consumen los humanos. Los dipéptidos que contienen histidina no son hidrolizados por las (di)peptidasas regulares, sino por sus propias enzimas hidrolíticas específicas, las carnosinasas (CN). La CN1 está presente en el suero humano, pero no en la mayoría de animales y la CN2 está localizada intracelular en células de intestino y riñón. La carnosina de la dieta es transportada al lado apical de las células intestinales,  por el transportador de oligopéptidos 1 (PEPT1), donde puede permanecer sin cambios y pasar a la sangre o puede ser hidrolizada por la CN2 para formar histidina y β-alanina. El PEPT1 es dependiente de sodio y solamente está presente en el lado apical de la célula por lo que no puede transportar carnosina al lado basolateral. En los túbulos renales, la carnosina es transportada por el transportador de oligopéptidos 2 (PEPT2), es hidrolizada por la CN2 y los productos pasan a la sangre. Muy poca histidina o β-alanina es eliminada por la orina. Si la carnosina intacta llega a la sangre, rápidamente es hidrolizada por la carnosinasa 1 por lo que hay muy poca carnosina en la circulación. En el humano, la mayor parte de la carnosina se encuentra en el músculo esquelético donde es sintetizada a partir de histidina y β-alanina por la enzima citoplasmática carnosina sintetasa. Las funciones de la carnosina no son conocidas, pero algunos estudios sugieren que los dipéptidos que contienen histidina pueden actuar como buffers intracelulares, queladores de iones metálicos, antioxidantes y/o atrapadores de radicales libres. El músculo esquelético en humanos contiene ~1g de carnosina por kg de músculo, de manera que un hombre adulto podría contener ~33 g de carnosina en sus músculos, lo cual representa ~99 del total de carnosina en el cuerpo. Hay muy poca actividad, si hay alguna, carnosinasa en el músculo esquelético.

   Actualmente, se reconoce  que la histidina es un requerimiento nutricional para humanos adultos. El requerimiento de histidina indicado por la OMS/FAO para un hombre adulto es 10 mg/kg/día por lo que un hombre de 70 kg requiere 0,7g/día de histidina en su dieta.

   La histidina puede ser descarboxilada para formar histamina. La enzima involucrada es la histidina descarboxilasa (HDC) que requiere pirodoxal fosfato como cofactor. La HDC está localizada principalmente en los mastocitos en varios tejidos y en las células similares a enterocromafines (ECL) en la mucosa oxíntica del estómago, pero recientemente ha sido descubierta en el sistema nervioso central y en células inmunes. La histamina es conocida como mediador inflamatorio, dando origen a la “triple respuesta” de Lewis en respuesta a daño en la piel. La liberación de histamina por los mastocitos ocurre en respuesta a la unión de IgE a receptores de membrana de los mastocitos como parte de la respuesta a los alérgenos.  En el estómago, la histamina incrementa la secreción de ácido clorhídrico por las células parietales. La actividad  HDC en las ECL aumenta después del tratamiento con gastrina así como también la síntesis y liberación de histamina por estas células. La histamina también sirve como neurotransmisor en regiones específicas del cerebro. La histamina es sintetizada en células del hipotálamo posterior que se proyectan a varias regiones del cerebro. La histamina cerebral controla varias funciones, como el ciclo sueño-vigilia, el apetito, la memoria y la respuesta al estrés. La histamina es removida de las sinapsis por transporte en la célula  e inactivada por la histamina N-metiltransferasa en el citoplasma para formar N-metil histamina. El aumento de la actividad de la histamina N-metiltransferasa podría causar baja concentración de histamina y síntomas neurológicos como ansiedad en la rata o síndrome de Tourette en humanos.

   En conclusión, la histidina es un aminoácido esencial que tiene roles importante en el sitio activo de enzimas como las serina proteasas. El exceso de histidina puede ser convertido en trans-urocanato por la histidasa en el hígado y la piel. La luz UV convierte el trans-urocanato en cis-urocanato, el cual juega un importante papel protector en la piel. El hígado es capaz de llevar a cabo el catabolismo completo de la histidina por una ruta que requiere ácido fólico para la última etapa. La histidina es requerida como precursor de carnosina en musculo esquelético y partes del cerebro donde  juega importantes roles como buffer y antioxidante. La histidina puede ser descarboxilada a histamina en células similares a enterocromafines en el estómago, en los mastocitos y en células de varias regiones del cerebro donde la histamina puede servir como neurotransmisor.

Fuente: Brosnan ME, Brosnan JT (2020). Histidine metabolism and function. The Journal of Nutrition 150: 2570S-2575S.

 

Gránulos de insulina

Los gránulos de insulina de las células β de los islotes pancreáticos son organelos intracelulares complejos que comprenden muchas proteínas con diferentes actividades catalíticas y funciones de mensajero. Estos organelos subcelulares tienen una morfología en micrografías electrónicas como una esfera de aproximadamente 200-300 nm de diámetro que comprende una corteza cristalina de insulina rodeada por un halo de material menos denso en una envoltura con bicapa de fosfolípidos. El gránulo es más que un simple depósito de hormona en la célula, es el sito de conversión proteolítica de proinsulina en insulina.  Esta estructura dinámica también está involucrada en el transporte y la comunicación intercelulares a través de la secreción de otras moléculas biológicamente activas. Alrededor de 10% de la población de gránulos se recambia cada hora durante la secreción activa. Una contribución importante al conocimiento de la secreción de insulina proviene de estudios de los gránulos, en particular la información sobre la estructura y función de muchas proteínas de los gránulos.

   La exclusividad  de la presencia en las  células β, hace que los gránulos de insulina sean un blanco inmunogénico en la destrucción selectiva de células β mediada auto-inmunológicamente que causa la diabetes tipo 1 (DT1). Hace tres décadas, el diálogo entre fisiólogos, bioquímicos e inmunólogos resultó en la primera evidencia de que los gránulos de insulina estimulan la autoinmunidad en los islotes pancreáticos. Hasta entonces, los estudios inmunológicos en DT1 tenían como foco de atención  la insulina y la proinsulina. La autoinmunidad de los gránulos mostró una mejor correlación con el desarrollo de DT1 y la recurrencia de autoinmunidad de los islotes pancreáticos y la pérdida de células β después del trasplante de islotes. Sin embargo, la naturaleza de los componentes de los gránulos de insulina que estimulan autoinmunidad de células T permanecía desconocida.

   Un estudio reciente aporta conocimientos sobre nuevos antígenos de los gránulos que son reconocidos por las células T. Además de enzimas exclusivas de las células β e involucradas en el procesamiento de proinsulina en insulina, otras proteínas asociadas con los gránulos, presentes también  en otros tejidos endocrinos, son procesadas y presentadas por moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) clase I y son reconocidas por células T CD8+ de individuos sanos y con DT1. Por otra parte, el análisis proteómico revela blancos de la autoinmunidad de los islotes, incluyendo proteínas de los islotes modificadas post-translacionalmente, péptidos híbridos que se unen a dos proteínas diferentes de los islotes en epitopes y neoantígenos que resultan por “splicing” alternativo o infidelidad ribosomal, creando proteínas completamente nuevas que normalmente no son codificadas en el genoma de las células β. Todos los tipos de proteoma de células β (nativo, modificado y neo) han demostrado que actúan como blancos de células T. La naturaleza de los autoantígenos recién identificados potencialmente es de relevancia en la DT1 dado que su distribución está limitada a tejidos neuroendocrinos, lo cual garantiza futuros estudios sobre la inmunopatogénesis de la DT1. Células similares a células T han sido reportadas en islotes pancráticos inflamados de  ratones NOD que pueden transferir diabetes autoinmune experimental en ratones no diabéticos. Estos hallazgos en humanos y ratones confirman a los gránulos de insulina como fuente de un amplio rango de auto-antígenos e incorporan a las células T CD8+ como blancos que son reconocidos por células CD4 y auto-anticuerpos.

   Los gránulos de insulina, además de proteínas, contienen otros ingredientes como esfingolípidos, incluyendo sulfatides que contribuyen a la formación y estructura de los cristales de insulina, los cuales poseen propiedades inmunogénicas y antiinflamatorias. Los sulfatides son blanco de los anticuerpos islote-específicos y las células T natural killer que unen los sistemas inmune innato y adaptativo. Los sulfatides también poseen propiedades antiinflamatorias que pueden inhibir la autoinmunidad de células T y potencialmente hacer a los gránulos menos inmunogénicos.  El metabolismo anormal de los esfingolípidos de los islotes puede ser  corregido por el compuesto fenofibrate que representa una nueva oportunidad terapéutica.

   Los gránulos de insulina sirven como mensajeros autoinmunes entre las células β y la sangre y también en el tráfico de componentes de las células β hacia el exterior de la célula. Los macrófagos residentes en los islotes están en contacto con las células β y los vasos sanguíneos y tienen acceso directo a la luz de los vasos. Estos macrófagos capturan a los gránulos de insulina intactos de las células β y presentan la insulina a las células T. Por su naturaleza, los gránulos de insulina actúan como complejos transportadores de haptenos que son fagocitados eficientemente por los macrófagos. Los haptenos son pequeñas moléculas que provocan una respuesta inmune solamente cuando están adheridos a un transportador como una proteína o un organelo como los gránulos.

   Los estudios recientes reportan que la frecuencia de células T CD8+ circulantes no varía entre salud y enfermedad. Esto puede reflejar parcialmente que las células T que reaccionan con los neoantígenos de los islotes no son expresados en el timo y escapan a la selección y formación del repertorio de células T que podría provocar la tolerancia inmune central. Es importante hacer notar que los mecanismos periféricos de tolerancia inmune también pueden regular la autoinmunidad de los islotes pancreáticos. Esto es ilustrado por estudios sobre autoinmunidad de células T en gránulos de insulina que  muestra una fuerte asociación con DT1. La función y actividad de las células T son sometidas a inhibición por las células T reguladoras en individuos sanos. La presencia de células T autoreactivas islote-específicas en individuos sanos también podría explicar el desarrollo de DT1 en pacientes con cáncer tratados con inmunoterapia que bloquea esta regulación inmune para atenuar la inmunidad contra antígenos del tumor (inhibidores del “checkpoin”t inmune como pembrolizumab y nivolumab).

   ¿Qué puede hacer que las proteínas de los gránulos de insulina sean tan inmunogénicas? Primero, estas proteínas están entre las más abundantes producidas por las células β. Esto hace que estén más expuestas a la ruta de presentación MHC-I, especialmente considerando su alta tasa de recambio, y por tanto son más proclives a desviaciones transcripcionales y translacionales, situación que incrementa en condiciones de estrés de células β. Segundo, varias de estas proteínas comparten una característica clave con los antígenos primarios de los islotes: son proteínas solubles producidas como precursores (prepro-proteínas) que  forman proproteínas. Esto es seguido por procesamiento enzimático, principalmente por proconvertasas, para dar origen a sus productos bioactivos. Tercero, siguiendo la exocitosis de los gránulos, son liberadas con la proinsulina a la circulación sanguínea, en su forma intacta o degradada, y pueden ser tomadas por células dendríticas fuera del páncreas y sensibilizar tejidos linfoides distantes.

   En conclusión, el gránulo de insulina es más que un depósito de hormona, es un organelo intracelular que comprende proteínas con muchas actividades y funciones. Varias de estas proteínas son procesadas y presentadas por moléculas MHC clase I y reconocidas por células T CD8+ en individuos sanos y con DT1. Los hallazgos de los estudios en humanos y ratones colocan a los gránulos de insulina como fuente de autoantígenos de los islotes reconocidos por células T y anticuerpos. Las proteínas nativas así como las proteínas modificadas post-transcripcionalmente  o post-translacionalmente -y los esfingolípidos- de los gránulos de insulina actúan como blancos autoantigénicos o moduladores inmunes de células T CD8+.

 Fuente: Roep BO (2020). There is something about insulin granules. Diabetes 69: 2575-2577.

 

Andrógenos de origen adrenal

Los andrógenos precursores dehidroepiandrosterona (DHEA) y sulfato de dehidroepiandrosterona (DHEAS) son producidos en altas cantidades por la corteza adrenal en humanos (3-25 mg/d) y otros primates. Otro precursor directo de la testosterona, androstenediona (androst-4-ene-3-17-diona), es producido en mujeres en cantidades diarias de 1,5-6 mg/día, la mitad en los ovarios y la otra mitad en las adrenales. El potencial androgénico de estos esteroides es bajo. Sin embargo, la adrenal humana también secreta andrógenos 11-oxigenadas (11-oxi-andrógenos), incluyendo 11β-hidroxi-androstenediona. Los niveles plasmáticos de 11β-hidroxi-androstenediona en personas sanas en la mañana son 8,69±2,88 nmol/l (hombres), 7,72±2,85 nmol/l (mujeres). Las concentraciones de estas hormonas siguen el patrón de ritmo circadiano del cortisol, aumentan marcadamente después de la estimulación con corticotropina y son suprimidas por la dexametasona. La 11β-hidroxi-androstenediona sirve como precursor de varios andrógenos altamente potentes, los derivados 11-oxigenados de testosterona y dihidrotestosterona.

   Recientemente, los C₁₉-esteroides 11-oxigenados: 11β-hidroxi-testosterona, 11-ceto-testosterona y 11β-hidroxi-dihidrotestosterona han recibido mucha atención por su alta actividad androgénica. La 11-ceto-testosterona es conocida desde hace décadas por ser el principal andrógeno producido en las gónadas masculinas de los peces teleósteos, identificado en plasma de salmón en 1960. Es esencial no solo para la espermatogénesis del pez, sino también para la migración del pez. En contraste con los peces, las concentraciones plasmáticas de 11-ceto-testosterona son similares en machos y hembras de primates, a pesar de los niveles circulantes significativamente altos de testosterona en los machos, sugiriendo que en primates la producción de 11-ceto-testosterona es primariamente de origen adrenal a partir de precursores 11-oxi-androgenos.

   La principal producción de 11β-hidroxi-testosterona es en las adrenales y es estimulada por la ACTH. Una pequeña proporción de su secreción diaria puede ocurrir en los ovarios y una cantidad aún más pequeña en los testículos. El contenido de ARN para CYP11B1 es menos de 2% en los ovarios y menos de 1% en los testículos en comparación con las adrenales. La 11β-hidroxi-testosterona es formada principalmente a partir de la 11β-hidroxi-androstene-3,17-diona por la 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa y puede ser convertida en 11-ceto-testosterona, la cual puede ser reducida extraadrenalmente por la 5α-esteroide reductasa a la forma más activa 11-ceto-dihidrotestosterona. Varios estudios han confirmado la alta potencia androgénica de la 11-ceto-testosterona y la 11-ceto-dihidrotestosterona. La adrenal tiene baja concentración de 5α-esteroide deshidrogenasa por lo que la producción de los derivados de la dihidrotestosterona tiene lugar fuera de la adrenal. Por otra parte, la dihidrotestosterona se inactiva más rápidamente que la 11-ceto-dihidrotestosterona.

   En individuos sanos, los niveles de 11-ceto-testosterona pueden ser el doble de los niveles de testosterona. Las concentraciones de casi todos los C₁₉-esteroides 11 oxigenados son hasta tres veces más altas en los pacientes con hiperplasia adrenal debido a la deficiencia de 21-hidroxilasa, en comparación con los controles. Por otra parte, en el período de la adrenarquia, las hembras tienen niveles de 11-ceto-testosterona que son más del doble de los niveles de testosterona.

   Cuando por razones diagnósticas se necesita conocer los niveles de andrógenos, es razonable medir también los andrógenos de origen adrenal, especialmente 11-ceto-testosterona y 11-ceto-dihidrotestosterona. Esto es particularmente cierto en los casos de desórdenes enzimáticos con androgenización. En la hiperplasia adrenal congénita (HAC) debida a deficiencia de 21-hidroxilasa, los niveles de 11-ceto-testosterona son en promedio tres veces más altos que en los controles.  Por el contrario, en casos de deficiencia de 11β-hidroxilasa, como en la HAC con hipertensión, se observan niveles bajos de 11-ceto-testosterona. El nivel de 11-ceto-testosterona puede ser útil en la interpretación de la androgenización de la piel o en los desórdenes endocrinos femeninos más comunes como el síndrome de ovarios poliquisticos (PCOS). En las mujeres con PCOS, se observa una alta actividad adrenal, pero la concentración de C₁₉-esteroides 11 oxigenados no puede ser registrada como un marcador para este síndrome. En algunos casos leves de androgenización femenina (por ejemplo, hirsutismo idiopático), la determinación de 11-ceto-testosterona y 11-ceto-dihidrotestosterona puede explicar el conflicto entre la intensidad de las manifestaciones clínicas y los niveles de testosterona o dihidrotestosterona.

   Un estudio reciente demuestra que la 11-cetoandrostendiona y la 11-cetotestosterona son estables durante el ciclo menstrual y hacen la mayor contribución cuantitativa al pool de andrógenos circulantes. Todos los C₁₉-andrógenos  disminuyen con la edad antes de la menopausia; por tanto se requieren rangos de referencia edad-específicos para la interpretación de los niveles de andrógenos en las mujeres premenopáusicas.

   Desde un punto de vista terapéutico, las adrenales son una importante fuente de andrógenos que pueden influir fundamentalmente en la terapia de privación de andrógenos para cáncer de próstata. El análisis de tejido en la hiperplasia prostática benigna (HPB) ha identificado altos niveles de 11β-hidroxiandrosterona (4-14 ng/g) y 11ceto-androsterona (9-160 ng/g), conjuntamente con androstenediona (7,5 ng/g). La alta actividad de la 5α-esteroide reductasa en metástasis en nodos linfáticos de cáncer de próstata permite la producción del andrógeno 11-ceto-dihidrotestosterona en las células de tumores de próstata. La terapia de privación de andrógenos para cáncer de próstata requiere del bloqueo de la actividad de los andrógenos gonadales a nivel del receptor de andrógenos o de su producción a nivel del eje hipotálamo-hipófisis-testículo. Después de un cierto tiempo, usualmente alrededor de dos años, la terapia comienza a ser inefectiva. Los andrógenos adrenales activos juegan un rol biológicamente importante durante el bloqueo de la biosíntesis de andrógenos gonadales. Es posible que con el bloqueo de la producción de andrógenos gonadales conjuntamente con  el bloqueo de la función adrenal a través de corticoides, adrenostáticos o adrenalectomía, la terapia de privación de andrógenos pueda continuar siendo efectiva.

   En conclusión, las glándulas adrenales producen cantidades significativas de hormonas esteroides y sus metabolitos. El hallazgo que algunos C₁₉ esteroides 11-oxigenados tienen actividad estrogénica  alta como los andrógenos clásicos testosterona y dihidrotestosterona, con niveles circulantes similares a la de estos esteroides, ha generado un cambio en la perspectiva de los marcadores de androgenización. Este hecho tiene importancia clínica, por ejemplo, en varios tipos de hiperplasia adrenal congénita con androgenización o en el síndrome de ovarios poliquísticos. Otra área de interés es el tratamiento de cáncer de próstata con privación de andrógenos. El bloqueo de la secreción de C₁₉-esteroides adrenales, simultáneamente con la terapia,  podría incrementar la efectividad de la terapia de privación de andrógenos.

Fuente: Stárka L et al (2020). 11-keto-testosterona y otros andrógenos de origen adrenal. Physiological Research 69: S187-S192.

 

Péptidos calcitonina y fisiología ósea

El aumento en el nivel sanguíneo  de calcio provoca la secreción de calcitonina por las células C de la glándula tiroides. Varias hormonas peptídicas muestran analogía estructural con la calcitonina y transducen señales a través de diversos receptores. Además de tener estructura similar con la calcitonina, algunos de estos péptidos tienen actividades biológicas similares, mientras otros muestran funciones diferentes. Los péptidos relacionados con el gen calcitonina y otros péptidos como amilina, adrenomedulina e intermedina son incluidos en la familia calcitonina. El nivel sanguíneo de calcio es mantenido en un rango estrecho de 8,5  mg/dl a 10,5 mg/dl por las acciones coordinadas del esqueleto, el intestino y los riñones. La regulación del nivel de calcio es necesaria porque juega un rol crítico en muchos procesos fisiológicos esenciales como coagulación sanguínea, contracción muscular y glucogenolisis. La calcitonina inhibe la resorción ósea y suprime la liberación de calcio por el hueso. La calcitonina humana (hCT) contiene 32 aminoácidos y un puente disulfuro cerca del amino terminal. La hCTes codificada por el gen CALCA (calcitonin-related polypeptide alpha) en el brazo corto del cromosoma 11. Las células C de la glándula tiroides son consideradas como el origen primario de la calcitonina circulante en el cuerpo humano. Sin embargo, otros órganos como el sistema nervioso central (SNC), los pulmones y el timo también producen calcitonina, aunque en pequeñas cantidades.

   El gen CALCA tiene dos mARN alternativos conocidos como (i) calcitonina  y (ii) péptido relacionado con el gen calcitonina (CGRP). El procesamiento del gen CALCA involucra especificidad de tejido en condiciones fisiológicas normales. El proceso de “splicing” ocurre en el tejido neuronal resultando en la generación de mARN que codifica al neuropéptido CGRP. Sin embargo, el mARN presente en las células C de la glándula tiroides puede ser transcripto a partir del gen calcitonina, el cual también es un precursor del péptido calcitonina. Humanos y roedores también poseen otro gen diferente conocido por codificar CGRP, llamado β-CGRP (calcitonin gene-related peptide beta). El β-CGRP es considerado como el transcripto maduro del gen CALCB. Un precursor de calcitonina de 116 aminoácidos, procalcitonina, es un constituyente adicional del gen CALCA. El proceso fisiológico normal comienza  bajo condiciones específicas, las cuales involucran la expresión del mARN de CALCA y convertirlo en una forma que codifique a la procalcitonina. Este proceso está restringido principalmente a las células C de la glándula tiroides donde el clivaje del precursor produce la calcitonina madura. En estas condiciones, el nivel de procalcitonina disminuye en el cuerpo.  Los niveles circulantes de procalcitonina incrementan rápidamente durante la infección bacteriana y clínicamente es usada como biomarcador.

   La amilina (o polipéptido amiloide del islote, IAPP) es un péptido de 37 aminoácidos con estructura idéntica a la de CGRP. En los pacientes con diabetes tipo 2 (DT2), la amilina puede formar agregados que resultan en amiloide o fibras de amilina. El rol de los agregados de amilina en los pacientes con DT2 aún no está claro, pero  hay evidencia de su contribución a la necrosis y el daño de las células β de los islotes pancreáticos. El páncreas sano contiene amilina en los mismos gránulos celulares que almacenan insulina (~1-2% de la concentración de insulina). La hiperglucemia estimula la co-secreción de insulina y amilina. La amilina estimula la degradación de glucógeno en músculo esquelético. Además de las células β pancreáticas, varios órganos del cuerpo como tracto gastrointestinal (TGI) y SNC producen amilina. El nivel promedio de amilina es 5-10 pmol/l en una persona normal y aumenta a 10-20 pmol/l después de una comida. Los estudios en humanos y modelos animales reportan que el nivel de amilina es muy alto en la obesidad y la DT2.

   La adrenomedulina (ADM) es un péptido altamente expresado en la médula adrenal normal que participa en la regulación de la presión sanguínea produciendo un efecto hipotensor de larga duración. Los resultados de varios estudios reflejan el rol central de la ADM como un vasodilatador debido a su efecto sobre el sistema cardiovascular. Otros estudios también reportan que la ADM induce varios procesos patológicos como estrés oxidativo e insuficiencia renal. El embarazo incrementa el nivel de ADM. Los mamíferos contienen el gen ADM2 que codifica un péptido, intermedina o ADM2, con alta similitud con la ADM. La intermedina ha sido identificada en humanos, rata y ratón. Los estudios en ratas reportan que la intermedina es expresada en TGI e hipófisis. La administración intraperitoneal de intermedina reduce la presión sanguínea en ratas hipertensas.

   En humanos, cinco genes homólogos codifican péptidos calcitonina. El cromosoma 11 contiene los genes CALCA, CALCAB y ADM; el cromosoma 12 contiene el gen ADM y el cromosoma 22 contiene el gen ADM2. El gen CALCA  tiene seis exones, de los cuales los exones I-III están situados en mARN de calcitonina y αCGRP, mientras los exones IV y V codifican calcitonina y αCGRP maduro, respectivamente. En las células C de la glándula tiroides, 99% del transcripto ARN principal genera mARN de calcitonina. Los genes CALCAB y CALCA son similares en estructura. Sin embargo, debido a la variación en la secuencia, el βCGRP es el único péptido que es codificado por este gen que muestra una variación con el αCGRP de tres aminoácidos en humanos. El gen ADM tiene cuatro exones que pueden codificar ADM. Los genes IAPP y ADM2 contienen tres exones y codifican  amilina y ADM2, respectivamente.

   La familia de péptidos calcitonina tiene la propiedad de producir los péptidos maduros a través de splicing de proteínas y cambios  post-transcripcionales. Varias características estructurales de los péptidos de la familia calcitonina son similares: dos residuos cisteína conectados con puente disulfuro en el extremo NH₂ para presentar una estructura como anillo donde hay una región media α-hélice, y un extremo carboxilo que contiene un aminoácido amidado. El terminal NH₂ juega la parte más crucial de la estimulación de receptores. La remoción del NH₂ terminal produce péptidos lineales como αCGRP_8-37, amilina_8-37 y adrenomedulina_22-52 que existen como antagonistas de las moléculas precursoras y se une a los receptores, pero no tienen efecto sobre su activación.

   El receptor de calcitonina (CTR) es acoplado a proteína G con siete dominios transmembrana. La expresión de  CTR ha sido observada en riñón, sistema nervioso y osteoclastos maduros. El cromosoma 7 contiene los genes CTR y CALCR y 14 exones. Por splicing alternativo se producen varias formas de receptores de calcitonina. En humanos y roedores, las isoformas producidas por splicing alternativo muestran especificidad celular y pueden responden a ligandos de la familia calcitonina. Dos grupos de investigadores clonaron por separado receptores similares a CTR (CRLR) que tienen secuencia de aminoácidos similar a la del CTR. En humanos, el CRLR es codificado por un gen que tiene 15 exones y está localizado en el cromosoma 2.

   Los osteoclastos maduros derivan de células precursoras hematopoyéticas y juegan un rol vital en la resorción ósea. Un alto número de variables locales y sistémicas regulan la diferenciación y actividad de los osteoclastos. La interacción del factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF) con su receptor induce la diferenciación de los osteoclastos, lo cual resulta en estimulación de la expresión del receptor de factor nuclear kappa β (RANK). La interacción RANK-ligando RANK (RANKL) estimula la diferenciación y activación de osteoclastos. La osteoprotegerina (OPG) es secretada por células del linaje osteoblasto e interactúa con el RANKL inhibiendo competitivamente la interacción RANK/RANKL. El principal factor que controla la activación de osteoclastos y la resorción ósea es la relación entre los niveles de OPG y RANKL. Los osteoclastos maduros degradan la matriz extracelular del hueso. Cuando la matriz ósea mineralizada interactúa con los osteoclastos completamente di9ferenciados se produce una región de relleno que cubre el área encerada en la laguna de resorción. La membrana del osteoclasto presente en el área de relleno forma un borde fruncido que es usado para el transporte de protones y enzimas que degradan la matriz y son liberadas durante la resorción ósea. La resorción ósea es el factor vital para la disminución rápida de la concentración de calcio en la circulación bajo el efecto de la calcitonina. Los osteoclastos exhiben la expresión de CTR, RAMP1-3 y CRLR.

   La unión de CT a su receptor en los osteoclastos resulta en la pérdida del borde fruncido en pocos minutos. Varios mecanismos pueden estimular la actividad de la CT en los osteoclastos, como el cAMP. Al  mismo tiempo, la señal intracelular de calcio media la disrupción del  proceso de resorción en el área de relleno. El CGRP también  inactiva osteoclastos, pero la eficacia es baja en comparación con la CT. Por otra parte, la amilina aumenta la concentración de cAMP y disminuye la resorción ósea estimulada por hormona paratiroidea (PTH). La amilina disminuye la pérdida de hueso trabecular, pero no afecta los índices de hueso cortical. Con relación a la  ADM, a pesar de la presencia de  receptores en los osteoclastos y la capacidad para causar la formación de cAMP en estas células, los estudios han demostrado que la diferenciación de osteoclastos no es afectada por la ADM. Sin embargo, en algunas circunstancias patológicas que causan disrupción ósea, la ADM actúa modulando el ambiente inflamatorio. En los osteoclastos, la intermedina es un potencial inhibidor del desarrollo de osteoclastos multinucleados, el cual es regulado por M-CSF y RANKL.

   Los osteoblastos, células mononucleares formadoras de hueso, derivan de stem cells mesenquimales de la médula ósea. Bajo el efecto de una ruta de señalización organizada, los preosteoblastos se convierten en osteoblastos maduros que generan la matriz ósea y posteriormente la mineralizan. Después de la formación de hueso, los osteoblastos experimentan apoptosis o se adhieren a la matriz ósea para su  diferenciación en osteocitos. Los datos experimentales señalan la ausencia de CTR en los osteoblastos. Sin embargo, los estudios en modelos animales reportan que la calcitonina regula la formación de hueso, pero la acción es generada por osteoclastos y osteocitos más que por una acción directa de la CT sobre los osteoblastos. En contraste con la calcitonina, el CGRP tiene un impacto beneficiosos sobre los osteoblastos in vitro pero no in vivo. Por otra parte, de acuerdo con varios estudios sobre la función de la amilina, el fragmento NH2 terminal (amilin_1-8) activa la proliferación de osteoblastos en la rata. La ADM juega un rol significativo en la proliferación de osteoblastos en ratas y humanos.  La ADM es expresada en los osteoblastos y muestra actividad  a través de  un mecanismo autocrino/paracrino. A diferencia de otros péptidos de la familia calcitonina, la ADM activa la ruta de señalización  ERK1/2 y los canales de calcio dependientes de voltaje en los osteoblastos. La ADM es considerada un factor de supervivencia, suprime el proceso de apoptosis en osteoblastos, probablemente a través de la ruta ERK1/2, la activación de CREB y la ruta Wnt. En términos de sus efectos sobre los osteoblastos y la formación de hueso, la intermedina es el menos estudiado de los péptidos de la familia calcitonina. La investigación in vitro demuestra que la intermedina no influye en la proliferación o diferenciación de osteoblastos.

   Los osteocitos están presentes en el tejido óseo mineralizado. Los osteocitos interactúan unos con otros a través  de procesos dendríticos y tienen una significativa contribución en la regulación del recambio óseo y el metabolismo mineral. Los osteocitos expresan los genes catepsina K y TRAP, conocidos como marcadores osteoclásticos. Los osteocitos también produce esclerostina, una glucoproteína codificada por el gen SOST, que interactúa con los co-receptores LRP4 y LRP5/6 y suprime la ruta de señalización Wnt/catenina. La esclerostina promueve la resorción ósea  afectando los precursores de osteoclastos y la ruta RANKL/OPG.

   La potencia de la calcitonina de salmón (sCT) es mayor que la de hCT por lo que ha sido ampliamente usada en clínica. La sCT fue presentada en el mercado en 1974 y posteriormente aprobada por la FDA para su uso contra la osteoporosis postmenopáusica y la enfermedad de Paget. Inicialmente, la sCT estaba disponible comercialmente como una preparación para uso intramuscular o subcutáneo. Posteriormente, se incorporó la presentación en spray nasal. Un efecto adverso del spray nasal  de sCT es su pobre biodisponibilidad en comparación con la administración parenteral. Recientemente, surgió una formulación oral que contiene  sCT acoplada a agentes que aumentan su capacidad para pasar a través del epitelio gastrointestinal y la protegen contra la degradación  enzimática. Varios estudios reportan aumento de la densidad ósea y disminución de fracturas de vertebras y cadera con la aplicación subcutánea o intranasal de sCT. Otros estudios clínicos demuestran que el riesgo de fracturas vertebrales disminuye significativamente con una dosis  de 200 UI /día de sCT. Inicialmente, la osteoporosis postmenopáusica fue tratada usando sCT. Sin embargo, actualmente la sCT no es usada porque varios estudios han demostrado la asociación de sCT con el desarrollo de cáncer y también porque nuevas drogas como los bifosfonatos son usados para el tratamiento de la osteoporosis. Los bifosfonatos también han probado ser una mejor alternativa para el manejo de la enfermedad de Paget.

   En conclusión, los péptidos de la familia calcitonina tienen un impacto sobre la fisiología ósea. Los osteoclastos son el blanco básico de los péptidos calcitonina en el hueso.  Los péptidos calcitonina  actúan como reguladores del proceso de  resorción ósea. Los estudios in vitro e in vivo documentan los efectos post-tratamiento de los péptidos calcitonina con un efecto positivo sobre la formación de  osteoblastos y un efecto negativo sobre la actividad de los  osteoclastos en el proceso de resorción ósea. La CT ha sido ampliamente usada en la clínica para el tratamiento de desórdenes óseos como osteoporosis, hipercalcemia y enfermedad de Paget. Sin embrago, el uso de CT ha disminuido actualmente debido al desarrollo de nuevas drogas como los bifosfonatos. 

Fuente: Xie J et al (2020). Calcitonin and bone physiology: in vitro, in vivo and clinical investigations. International Journal of Endocrinology Article ID 3236828.

 

Sueño y salud reproductiva

La privación de sueño (PS) es un problema de salud en la sociedad moderna y puede ser definida como la ausencia parcial o casi total de sueño que produce efectos perjudiciales en un organismo. Vivimos en una sociedad privada de sueño con varias piezas de evidencia que muestran una duración promedio de sueño de 6,8 horas contra las 9 horas observadas hace un siglo. Aproximadamente, 30% de los adultos duermen por un período menor de 6 horas por noche. La PS está relacionada con desórdenes del sueño comunes como insomnio, síndrome de sueño insuficiente inducido conductualmente y síndrome de apnea obstructiva del sueño. La duración normal del sueño para un adulto es altamente controversial, pero generalmente 8 horas de sueño en la noche es suficiente y óptimo para la salud y el bienestar.

   Los desórdenes del sueño en hombres y mujeres están asociados con muchos problemas de salud como depresión, hipertensión arterial, desregulación de la glucosa, enfermedad cardiovascular y ansiedad. En mujeres, los desórdenes del sueño coinciden con depresión postparto, embarazo, transición a la menopausia y trastornos premenstruales. En animales,  la capacidad reproductiva es afectada por alteraciones del sistema de tiempo circadiano causadas por exposición a ciclos luz-oscuridad irregulares y mutaciones de los principales genes reloj biológicos.  En la mujer, la infertilidad es definida como la incapacidad para concebir después de 12 meses de ciclos regulares en mujeres menores de 35 años o después de 6 meses en mujeres mayores de 35 años. En modelos animales, el deterioro del sueño influye sobre las hormonas sexuales, disminuyendo la concentración de testosterona e incrementando la concentración de progesterona y glucocorticoides en ratas machos y también interfiere con el rendimiento sexual. La secreción de esteroides sexuales está en sincronía con el ritmo circadiano que, a su vez, regula los patrones de sueño. Los disturbios del sueño desregulan el nivel de esteroides sexuales en el cuerpo y puede provocar infertilidad en hombres y mujeres. 

   La PS se observa cuando hay una carencia total de sueño durante un tiempo determinado o cuando hay un acortamiento de la duración óptima de sueño. La PS comúnmente es causada por el estilo de vida del individuo y factores relacionados con el trabajo. Varios casos de disfunciones cardiometabólicas y reproductivas  son reportadas en trabajadores con horario nocturno. La disrupción de los patrones de sueño por fragmentación del sueño puede tener consecuencias similares a la PS aguda y esto puede incluir a las funciones cognitivas, la atención y la memoria operante. Los reportes en humanos y modelos animales demuestran que la PS está conectada con muchas consecuencias fisiológicas severas como disturbios endocrinos, y desregulaciones metabólicas, inmunes y cardiovasculares. Una corta duración de sueño está asociada con mayor  mortalidad en humanos  y una PS prolongada provoca la muerte en modelos animales.  La PS también se observa en viajes aéreos a través de diferentes zonas horarias (síndrome jet lag). Los reportes indican que el período más largo de PS conocido se presentó en un estudio con humanos voluntarios y fue de 205 horas (8,5 días). El registro del electroencefalograma (EEG) no mostró ondas alfa y la señal EEG era similar a la etapa 1 del sueño sin movimientos oculares rápidos (NREM1) durante el estado de vigilia.

   Después de un intervalo de pérdida de sueño tiene lugar un rebote que usualmente es más largo que la duración del sueño normal. Esta situación, a menudo se acompaña con sueño REM y períodos más largos de ondas delta, mientras la fase 1 del sueño NREM puede estar ausente y la fase 2 (NREM2) acortada. La duración del rebote de sueño difiere marcadamente de la duración de la pérdida de sueño, pero es necesaria para dormir varias horas más y compensar la deuda de sueño en las primeras 24 horas post-PS. El período de PS es proporcional al período compensatorio y el rebote de sueño puede permanecer por varios días. Durante el período compensatorio, el porcentaje de sueño REM aumenta 50% como resultado de un incremento de episodios de sueño REM.

   La PS tiene efectos perjudiciales sobre el aparato reproductor en ratas. La PS puede contribuir a diferencias en la motilidad de los espermatozoides. Generalmente, la secreción de testosterona cambia durante el día con niveles altos alrededor del despertar que luego disminuyen a lo largo del día. El estrés es un proceso intrínseco de restricción de sueño que induce muchos problemas de salud con severas consecuencias metabólicas, endocrinológicas e inmunológicas. En un estudio con ratas, después de 7 días de PS, se encontró una significativa reducción en la motilidad de los espermatozoides aunque con insignificante reducción en el número de espermatozoides en testículo y epidídimo en comparación con el grupo control. Adicionalmente, en el grupo con PS se observó un incremento significativo en la concentración de corticosterona  y una disminución significativa en la concentración de testosterona. Los altos niveles de corticosterona secretados durante la PS pueden suprimir la actividad del eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG) resultando en reducida secreción de testosterona. Los niveles circulantes de testosterona aumentan durante el sueño y está demostrado que comienzan aumentar durante el inicio del sueño y alcanzan un pico durante el primer episodio de sueño REM. Varios estudios demuestran que la PS está asociada con niveles reducidos de andrógenos como la testosterona en la circulación y los bajos niveles de testosterona pueden alterar las funciones gonadal y sexual y provocar cambios en la fertilidad. 

   La función testicular es regulada por varios neurotransmisores y neuropéptidos incluyendo serotonina (5HT). La 5HT y sus receptores han sido identificados en las células de Leydig. Las investigaciones en modelos animales demuestran que la concentración de 5HT aumenta durante la PS. La 5HT inhibe la producción de testosterona. Por tanto, la reducción en los niveles de testosterona que se observa durante la PS puede ser un resultado de la inhibición de la producción de testosterona relacionada con la 5HT.  La disminución de la producción de testosterona también puede estar relacionada con la activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) que incrementa la concentración plasmática de corticosterona. Los niveles de corticosterona aumentan a través de un mecanismo de retroalimentación negativa que inicia la activación del eje HHA. Por otra parte, a través de la regulación por el hipotálamo, la hipófisis produce gonadotropinas como la hormona luteinizante (LH) y la hormona estimulante del folículo (FSH). La LH estimula a las células de Leydig, las cuales tienen receptores para LH en su superficie  y una vez excitadas producen y secretan testosterona. Sin embargo, si los niveles de corticosterona (en animales) o cortisol (en humanos) están elevados, la liberación de testosterona disminuye y, adicionalmente, se induce la apoptosis de células de Leydig.

   La PS también altera la conducta sexual en ratas machos. El efecto de la PS sobre el rendimiento sexual se observa como un incremento en la latencia para iniciar la conducta de intromisión y una disminución en la tasa de eyaculaciones e intromisiones. La suplementación de testosterona es un medio eficiente para mantener y mejorar la respuesta sexual en ratas machos adultos. Hay evidencia que la suplementación de testosterona combinada con estradiol muestra mejores resultados. Sin embargo, varios estudios sugieren que la suplementación de testosterona administrada con o sin  estradiol o progesterona durante el  estado  de PS podría aumentar el rendimiento sexual de estos animales.

   La PS es un conocido estresor fisiológico que desregula las actividades del ritmo circadiano.  La síntesis de testosterona depende de señales endocrinas y neurales, las cuales a su vez son influenciadas por condiciones fisiológicas como el estrés. La PS induce la respuesta al estrés incrementando la actividad del eje HHA, lo cual reduce la producción de testosterona. Por otra parte, el período de rebote de sueño después de la privación de sueño REM no restaura la concentración de testosterona a  sus niveles basales. Esto implica que un largo período de PS puede resultar en un desbalance de hormonas sexuales de larga duración.

   El envejecimiento reduce la producción de testosterona gradualmente  y esto usualmente es referido como “andropausia”. La reducción de andrógenos en el hombre es más moderada y gradual que la reducción de estrógenos durante la menopausia en la mujer. La producción de progesterona comienza a disminuir en los años de la vida media con una tasa promedio de 1 a 2% por año. Al mismo tiempo, los patrones de sueño se vuelven más interrumpidos con fragmentaciones del sueño y despertares durante la noche. El sueño NREM, en comparación con el sueño REM, es afectado por el envejecimiento debido a la reducción de sueño de ondas lentas y aumento en las etapas de sueño NREM. En un estudio con hombres con edades entre 45 y 67 años, los hallazgos indican la pobre calidad del sueño está asociada con bajos niveles de testosterona. Por el contrario, en hombres jóvenes, los hallazgos indican una correlación precisa entre incremento de la secreción de testosterona y profundidad del sueño.

   El sueño tiene efectos funcionales sobre la viabilidad reproductiva en mujeres de diversas edades. El sueño, durante la pubertad, estimula la secreción pulsátil de gonadotropinas, pero reduce la frecuencia de pulsos de LH en las mujeres en edad reproductiva durante la fase folicular temprana y consecuencias insignificantes en las otras fases del ciclo menstrual.

   La FSH es un importante regulador de la función reproductiva estimulando el crecimiento de folículos ováricos.  El sueño juega un rol importante en la secreción de FSH, pero hay resultados conflictos acerca de cómo el sueño afecta el nivel de FSH. Un estudio conducido con 160 mujeres en edad reproductiva y ciclos menstruales normales reportó una correlación positiva entre FSH y duración del sueño. La PS durante la segunda mitad de la noche no cambia el nivel de FSH en la mujer durante la fase folicular temprana del ciclo menstrual. El nivel de FSH incrementa con la edad y disminuye con el índice de masa corporal (IMC), pero está relación se revierte después de la menopausia por el bajo IMC está asociado con reducción de la duración del sueño nocturno después de los 60 años de edad. Un alto nivel de FSH durante la fase folicular temprana del ciclo menstrual es un indicador de baja reserva ovárica y envejecimiento reproductivo.

   La progesterona es esencial para la implantación y el mantenimiento del embarazo. Bajos niveles de progesterona pueden ser un indicador de disfunción de la fase luteal del ciclo menstrual. Los efectos del sueño sobre la progesterona no son muy pronunciados pero los bajos niveles de progesterona pueden estar asociados con desórdenes respiratorios durante el sueño en las mujeres con síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS).

   El nivel de hormona estimulante de la tiroides (TSH) incrementa durante el sueño y la PS aguda en mujeres jóvenes sanas durante la fase folicular del ciclo menstrual está asociada con un incremento significativo en el nivel de TSH. El alto nivel de TSH causa irregularidades menstruales, anovulación, amenorrea y pérdidas recurrentes del embarazo. El alto nivel de TSH también puede estimular la secreción de prolactina, la cual puede provocar infertilidad femenina. La TSH aumenta antes del inicio del sueño y continúa aumentando a través del período de sueño en la noche pero disminuye durante el día. La TSH aumenta durante la PS aguda, pero disminuye durante una PS prolongada. La relación entre sueño y TSH demuestra que la PS aguda puede provocar altos niveles de TSH, lo cual consecuentemente puede provocar anovulación y amenorrea.

   La LH estimula la liberación de esteroides por los ovarios, la ovulación y la liberación de progesterona después de la ovulación por el cuerpo lúteo. Los efectos del sueño sobre el ciclo menstrual modulan los pulsos y la amplitud de la secreción de LH disminuyendo la frecuencia e incrementando la amplitud de los pulsos en la fase folicular temprana del ciclo menstrual. La  amplitud de los pulsos de LH disminuye en la fase folicular media, donde el sueño ejerce una modulación menos notable sobre los pulsos de LH. La amplitud de los pulsos de LH disminuye hacia el final de la fase luteal sin la influencia del sueño. El efecto del sueño sobre la LH es para regular a la baja las actividades de la LH en las funciones reproductivas de hombres y mujeres.

   La prolactina (PRL) es una hormona secretada por la hipófisis que estimula la producción de leche en la mujer y también juega un rol en la reproducción. Las mujeres con narcolepsia (con o sin apnea del sueño) tienen niveles bajos de liberación de PRL relacionada con el sueño. Hay reportes inconsistentes en relación con el efecto del sueño sobre la PRL, pero  los disturbios del sueño pueden desregular la secreción de PRL. Está documentado que el nivel  de PRL comienza a aumentar con el inicio del sueño hasta alcanzar un máximo a lo largo de la noche. El despertar transitorio inhibe la secreción de PRL. La PS resulta en hiperprolactinemia,  la cual está asociada con  anovulación, PCOS y endometriosis.

   El estradiol (E2) es necesario para el desarrollo y mantenimiento de las características sexuales femeninas. Es secretado por las células granulosas de los folículos ováricos. El E2 es el estrógeno primario durante los años reproductivos y regula la actividad de la FSH y la LH y, por tanto, juega un rol importante en la ovulación y el crecimiento de los folículos ováricos. El aumento y la caída de estrógenos durante el ciclo menstrual son necesarios para que la FSH y la LH estimulen la ovulación. El E2 incrementa durante la PS parcial en mujeres de edad reproductiva. Las mujeres con patrones de sueño más variables tienen mayores niveles de E2 que las mujeres con patrones regulares. Los altos niveles de E2 también se observan en mujeres con pobre calidad del sueño.

   La secreción endógena de melatonina está implicada en la salud reproductiva de la mujer.  La secreción de melatonina aumenta la función reproductiva sincronizando las conductas sexuales con la estación y los períodos que son apropiados para que tenga lugar la concepción. Durante la ovulación, la importancia de la melatonina presente en los folículos ováricos es para proteger al oocito del estrés oxidativo. Los bajos niveles de melatonina en los folículos ováricos están asociados con altos niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) y reducida calidad del oocito en mujeres infértiles. La PS reduce la secreción de melatonina endógena limitando los niveles foliculares de melatonina y, por tanto, exponiendo a los folículos a una alta influencia del estrés oxidativo. La suplementación de melatonina mejora la calidad y maduración del oocito, la tasa de fertilización y la calidad del embrión durante la fertilización in vitro.

   La PS gestacional afecta la conducta sexual de las crías cuando alcanzan la adultez. La reducción de la maduración sexual en las crías se debe a la PS de los padres. En humanos, la exposición ambiental, incluyendo cambios en los patrones nutricionales, hormonales y metabólicos,  tiene profundos efectos sobre la salud reproductiva de la descendencia. La exposición a altos niveles de ROS disminuye la respiración mitocondrial en los espermatozoides. Factores como el estrés y la carencia de sueño activan el eje HHA, el cual altera la actividad de la enzima aromatasa responsable de la conversión de testosterona en E2 en el hipotálamo. El estrés es parte inherente de la PS y puede comprometer las funciones sexuales de la descendencia y esto puede causar alteraciones en la respuesta sexual en la descendencia.

   La alteración en el sistema circadiano tiene consecuencias negativas sobre la función fisiológica de los osciladores circadianos periféricos. El sistema circadiano de los trabajadores nocturnos promueve el sueño en los trabajadores y el tiempo para dormir coincide con el tiempo de alerta circadiana. Un estudio con 2000 aeromozas, en quienes el período de sueño se superpone con el tiempo de trabajo, reporta un incremento significativo del riesgo de pérdida de embarazo en el primer trimestre. Sin embargo, no está claro si la desregulación circadiana, la PS o la exposición a la luz durante la noche median los riesgos observados. El trabajo nocturno ha sido usado extensamente para examinar los riesgos de la salud debidos a la desincronía circadiana, pero hay varias limitaciones en estos estudios. El efecto sobre la salud reproductiva puede ser secundario a los riesgos de la salud en general.

   En conclusión, las investigaciones revelan que la fertilidad es afectada por la cantidad, la calidad y la duración  del sueño. Los estudios en humanos y modelos animales demuestran que la PS altera el nivel de hormonas reproductivas que son claves en la fertilidad masculina y femenina. Los hallazgos de estos estudios indican que la carencia de sueño produce alteraciones fisiológicas similares al estrés oxidativo, las cuales estimulan la activación del eje HHA e inhiben al eje HHG, resultando en altos niveles  de corticoesteroides en la circulación sanguínea. Los altos niveles de corticoesteroides están implicados en la infertilidad de hombres y mujeres. La disrupción circadiana inducida por trabajos nocturnos afecta la salud reproductiva porque desregula la producción de esteroides sexuales, gonadotropinas y prolactina. La PS no solo tiene efectos perjudiciales sobre las funciones reproductivas masculinas y féminas sino que también trasciende a la descendencia alterando su rendimiento sexual.

Fuente: Lateef OM, Akintubosun MO (2020). Sleep and reproductive health. Journal of Circadian Rhythms 18: 1-11.