El sistema canabinoide endógeno

El sistema canabinoide endógeno

El sistema de señalización canabinoide endógeno comprende (1) al menos dos receptores acoplados a proteína G, conocidos como receptores canabinoides tipo 1 (CB₁R) y tipo 2 (CB₂R), los CB₁Rs son ampliamente expresados en el cerebro, mientras que los CB₂Rs se localizan típicamente en el sistema inmune y son pobremente expresados en el sistema nervioso central; (2) los ligandos endógenos (endocanabinoides), de los cuales la anandamida  (AEA) y el 2-araquidonoil glicerol (2-AG) son los mejor caracterizados; y (3) las enzimas de síntesis y degradación  y los transportadores  que regulan los niveles de endocanabinoides y la acción   en los receptores.

En el sistema nervioso central, la despolarización de la neurona postsináptica eleva los niveles intracelulares de Ca²⁺ y dispara la producción de 2-AG presumiblemente por la activación de enzimas sensibles al Ca²⁺. Adicionalmente, el glutamato liberado en la neurona postsináptica puede generar 2-AG activando la enzima fosfolipasa Cβ (PLCβ) a través de receptores metabotrópicos. La PLCβ hidroliza al fosfatidilinositol para generar diacilglicerol el cual es convertido en 2-AG por la diacilglicerol lipasa α (DGLα). La DGLα se localiza específicamente  en compartimientos postsinápticos. La principal enzima para la degradación del 2-AG es la monoacilglicerol lipasa (MGL) que se localiza principalmente en la neurona presináptica. La serina hidrolasa ABHD6 localizada en la neurona postsináptica también cataboliza una pequeña fracción de 2-AG. La síntesis y degradación de la AEA es más compleja. La despolarización postsináptica y la entrada de Ca²⁺  favorecen la síntesis de AEA, pero cómo esto ocurre  no es completamente entendido. La AEA es en parte sintetizada por la N-acilfosfatidiletanolamina fosfolipasa D, (NAPE-PLD) aunque también existen rutas alternas. La NAPE-PLD puede ser expresada postsinápticamente, pero también ha sido observada en membranas axonales, donde la AEA podría modular localmente la función presináptica. El transporte de la AEA a través de las membranas puede ser facilitado por una proteína transportadora lipofílica. Esta proteína presumiblemente favorece el desplazamiento de la AEA hacia los compartimientos intracelulares donde se encuentra la enzima ácido graso amida hidrolasa (FAAH),  la principal  responsable de la degradación de la AEA. Algunas enzimas oxidativas como la ciclooxigenasa y la lipooxigenasa  pueden también usar los endocanabinoides como sustratos.

Los endocanabinoides son moduladores clave de la función sináptica. Estos mensajeros lipídicos pueden regular varias funciones neurales (cognición, control motor, ingesta de alimentos, dolor, etc) a través de la activación de sus receptores en el sistema nervioso central. Adicionalmente, han sido implicados en la formación de sinapsis y en la neurogénesis.  El principal mecanismo  por el cual los endocanabinoides regulan la función sináptica  es a través  de una señalización retrógrada (Figura 1A). El endocanabinoide producido por la neurona postsináptica se desplaza hacia atrás, a través de la sinapsis, se une a receptores CB₁ presinápticos y  suprime la liberación de neurotransmisor. El 2-AG es el principal endocanabinoide requerido para la señalización retrógrada. Una vez sintetizado, el 2-AG viaja a través de la sinapsis, pero el mecanismo preciso por medio del cual ocurre es aún desconocido. Hay también evidencia que sugiere una señal endocanabinoide no retrógrada o autocrina, en la cual el endocanabinoide producido en la neurona postsináptica puede modular la función neural y la transmisión sináptica  través de receptores CB₁  y TRPV1 (transient receptor potential  vanilloid type 1) localizados en la misma célula postsináptica (Figura 1B).  Por otra parte, estudios recientes indican que los endocanabinoides pueden también modular la función presináptica o postsináptica de una manera indirecta a través de la  estimulación de la liberación de glutamato en los astrocitos (Figura 1C). Algunos metabolitos de los endocanabinoides son biológicamente activos y podrían modular la función sináptica.

                                                                                                           

 

Figura 1.- Señal endocanabinoide en la sinapsis.

La activación de los CB₁Rs inhibe la liberación de neurotransmisor en la sinapsis  a través de dos mecanismos principales.  (1) Plasticidad de corto plazo, en la cual los CB₁Rs son activados por varios segundos. El mecanismo involucra la inhibición directa –dependiente de proteína G (generalmente  vía subunidades βγ)- de la entrada de Ca²⁺ a través de canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje. (2) Plasticidad de largo plazo, en la cual el mecanismo predominante requiere la inhibición de la adenil ciclasa con la consiguiente inactivación  de la ruta AMPc/PKA vía subunidad α_i/o. Para la plasticidad de largo plazo se necesita una estimulación de los CB₁Rs durante varios minutos, la cual provoca la activación de receptores de glutamato postsinápticos que a su vez dispara la movilización de 2-AG.

Los canales TRPV1 también participan en la señal endocanabinoide. El TRPV1, originalmente VR1 (receptor vanilloide tipo 1), es un canal iónico potencial receptor transitorio (TRP) polimodal grandemente expresado  en las neuronas sensoriales aferentes periféricas, donde su activación regula la transmisión sináptica asociada con el dolor. El TRPV1, además de su expresión en la periferia, también se localiza en el sistema nervioso central, donde regulan la función sináptica. Hay también evidencia de que el TRPV1 se localiza en compartimientos intracelulares como el retículo endoplasmático y la red trans-Golgi. El TRPV1 puede unir sustancias lipofílicas como la AEA. La AEA es un agonista parcial de los CB₁Rs, pero agonista completo de los canales TRPV1. La actividad presináptica libera glutamato que estimula receptores mGLUR5, los cuales se acoplan con la producción de AEA. La AEA activa los canales TRPV1, provocando un incremento en la entrada de Ca²⁺.

La evidencia reciente indica que la glía participa en la señal endocanabinoide. La producción de endocanabinoides ha sido observada en oligodendrocitos, astrocitos y microglias. Varios hallazgos recientes apoyan un rol de los endocanabinoides en los astrocitos y su capacidad para mediar indirectamente la función sináptica. Los CB₁Rs de los astrocitos, acoplados a la PLC, incrementan los niveles intracelulares de Ca²⁺ y disparan la liberación de glutamato. La comunicación astrocito-neurona mediada por los endocanabinoides ha sido implicada en la potenciación de largo plazo.

La ingesta de alimentos es otro proceso fisiológico modulado por el sistema endocanabinoide. Por ejemplo, los agonistas de los CB₁Rs  incrementan la ingesta de alimentos, mientras que los antagonistas la reducen. Un estudio reciente  ha demostrado que en el hipocampo de ratones con obesidad inducida por dieta aumenta la expresión de la proteína  DGLα, la producción de 2-AAG y AEA, y la expresión de CB₁R. Por otra parte, las restricciones dietéticas causan cambios significativos en el sistema endocanabinoide. En los circuitos hipotalámicos relacionados con la alimentación, la privación de alimentos  regula negativamente la señal endocanabinoide.  

Fuente: Castillo PE et al (2012) Endocannabinoid signaling and sinaptic function. Neuron 76: 70-79.

La microbiota intestinal y el balance energético

Los seres humanos son superorganismos compuestos por 10%  de células humanas y 90% de células microbianas.  Los genomas humano y microbiano han co-evolucionado y su metabolismo y supervivencia están ahora inextricablemente relacionados. El intestino de los humanos es uno de los sitios más densamente poblados por microbios simbióticos (“microbiota intestinal”) con las bacterias como principal constituyente de los microorganismos. La microbiota  intestinal lleva a cabo diversas actividades metabólicas que no son codificadas en el genoma humano, como ocurre con  el procesamiento de los polisacáridos de la dieta, por ejemplo. Adicionalmente, la microbiota intestinal intercambia metabolitos  con el huésped e interactúa con las rutas de señalización del huésped para modular el metabolismo de los ácidos biliares, los lípidos y los aminoácidos, entre otros.

La microbiota intestinal de los humanos comprende más de 1000 filotipos. En los individuos sanos, estos pueden ser clasificados en seis divisiones/phyla bacterianas: Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria y Verrucomicrobia. Los Bacteroidetes y Firmicutes representan más del 90% del total de la microbiota intestinal. En lo que se refiere al género de los microorganismos, los principales constituyentes de la microbiota intestinal humana son anaerobios obligados  de los géneros Bacteroides, Eubacterium, Clostridium, Ruminococus, Peptococcus, Peptoestretococcus, Bifidobacterium y Fusobacterium; menos predominantes son los anaerobios facultativos de los géneros Escherichia, Enterobacter, Enterococcus, Klebsiella, Lactobacillus y Proteus. Sin embargo, es conveniente tener presente que la composición bacteriana (miembros y abundancia de especies) de la microbiota intestinal es única para cada persona. Esto puede deberse, al menos en parte, a diferencias en los hábitos dietéticos a largo plazo, los cuales han sido asociados con algunos enterotipos (asociaciones de géneros y especies) humanos. Especifícamente, el enterotipo Bacteroides ha sido asociado con el consumo  de dietas ricas en proteínas y grasas saturadas, mientras que el enterotipo Prevotella ha sido asociado con el bajo consumo de proteínas y grasas pero con alta ingesta  de carbohidratos y azúcares simples. Entonces, un cambio en la dieta claramente altera la microbiota intestinal y estas alteraciones pueden contribuir al fenotipo metabólico del huésped.

Los cambios en la ingesta diaria de carbohidratos también pueden afectar grupos específicos de bacterias en un período corto de tiempo. El consumo de inulina (prebiótico) incrementa los niveles de F. prausnitzii y Bifidobacterium sp en humanos. Las dietas que son suplementadas con fibras incrementan los niveles de Ruminococcus bromii y Eubacterium rectale. La microbiota intestinal también reacciona a la grasa de la dieta. Las dieta ricas en grasas reducen los niveles  de Bacteroidetes e incrementan los niveles de Firmicutes y Proteobacteria.  Este cambio es rápido, ocurre en las primeras 24 horas.

El balance energético puede ser significativamente impactado por la presencia, composición y acciones de la microbiota intestinal.  Los productos del metabolismo microbiano actúan como moléculas de señalización e influyen en el metabolismo del huésped. Los productos microbianos afectan directamente la función intestinal pero también pueden afectar al hígado, al cerebro, al tejido adiposo y al músculo.  Las actividades enzimáticas microbianas pueden actuar directamente sobre la fermentación  de polisacáridos y el metabolismo de los ácidos biliares, o actuar conjuntamente con el huésped en el metabolismo de la colina.

Un mecanismo esencial por el cual la microbiota intestinal aumenta la producción de energía en el huésped  es a través de la hidrólisis y fermentación de los polisacáridos de la dieta. Los polisacáridos no digeribles, fermentables, como la oligofructosa (inulina), son metabolizados por la microbiota del colon a oligosacáridos y monosacáridos y luego fermentados  a ácidos grasos de cadena corta, especialmente acetato, propionato y butirato. Los ácidos grasos de cadena corta son absorbidos rápidamente por los colonocitos, donde el butirato proporciona la energía para el metabolismo celular  y el acetato y el propionato pasan a la circulación sistémica  y son captados  por el hígado y órganos periféricos, donde ellos son sustratos para la gluconeogénesis  y la lipogénesis.  Los ácidos grasos de cadena corta, además de funcionar como fuentes de energía, controlan la expresión de genes a través de la inhibición de la enzima desacetilasa de histona por parte del butirato y la regulación  metabólica a través de receptores de ácidos grasos libres acoplados a proteína G como el GPR43 (o FFAR2) y el GPR41 (o FFAR3). Estos receptores están implicados en los efectos saludables de los ácidos grasos de cadena corta sobre el apetito y el metabolismo energético. En estudios in vitro se ha demostrado que el acetato activa preferencialmente al GPR43, el propionato activa GPR43 y GPR41 y el butirato activa preferencialmente  al GPR41. La señalización a través de estos receptores afecta diferentes funciones dependiendo del tipo celular. Por ejemplo, los ácidos grasos de cadena corta, suprimen la inflamación, a través de receptores GPR43, en célula inmunes como los neutrófilos y aumentan la secreción del péptido glucagonoide 1 (GLP 1) en las células L del intestino delgado y el colon. Adicionalmente, la microbiota intestinal induce la expresión del péptido YY en las células L a través de un mecanismo dependiente de receptores GPR41. Como se sabe ambos péptidos intestinales disminuyen el apetito y la ingesta de energía. De esta manera la producción de ácidos grasos de cadena corta por la microbiota intestinal está asociada con un incremento en la saciedad y una reducción en la ingesta de alimentos en el huésped. Además de los efectos sobre los péptidos intestinales, el butirato y el propionato inducen la expresión de leptina en el tejido adiposo proporcionando un potencial mecanismo de regulación del apetito. En suma, la evidencia acumulada indica que los ácidos grasos de cadena corta reducen el apetito y/o alteran el metabolismo energético para promover un peso corporal saludable.

La microbiota intestinal también interviene en el metabolismo de los ácidos biliares. Los ácidos biliares primarios, ácido cólico y ácido quenodesoxicólico, son sintetizados en el hígado a partir del colesterol y son importantes para que el colesterol, las grasas y las vitaminas liposolubles puedan ser absorbidos en el intestino delgado. En los humanos, los ácidos biliares primarios son conjugados con glicina  y son captados en el ileum distal para ser luego transportados al hígado. Sin embargo, las bacterias de esta parte del ileum desconjugan a estos ácidos biliares, los cuales escapan a la captación intestinal, y son metabolizados  por la microbiota intestinal  en ácidos biliares secundarios (ácido desoxicólico a partir del ácido cólico y ácido litocólico a partir del ácido quenodesoxicólico). Los ácidos biliares también funcionan como moléculas de señalización y se unen a receptores celulares, como el receptor nuclear farnesoide X (FXR) y el receptor acoplado a proteína G, TGR5. Ambos receptores han sido involucrados en el metabolismo de la glucosa, el FXR altera, mientras que el TGR5 promueve la homeostasis de la glucosa. El FXR es activado por los ácidos biliares primarios y el TGR5 por los ácidos biliares secundarios. La activación de receptores TGR5 en las células L del intestino induce la secreción de GLP1, el cual con su acción sobre el hígado y el páncreas aumenta la tolerancia a la glucosa. En músculo y tejido adiposo, la activación de los receptores TGR5  incrementa el gasto de energía  y protegen contra la obesidad inducida por dieta.

Por otra parte, investigaciones recientes reportan que la microbiota intestinal predispone al huésped a la obesidad y la resistencia a la insulina, al menos en parte, disminuyendo la actividad de la proteína kinasa activada por el AMP (AMPK) y la oxidación de los  ácidos grasos en tejidos periféricos. La AMPK es una enzima expresada en el hígado, el cerebro y el músculo esquelético que funciona como sensor de energía celular y regulador metabólico. La enzima es  activada  por la fosforilación de  Thr 172 de la subunidad catalítica α, cuando la relación intracelular AMP/ATP o NAD/NADH aumentan en respuesta  al estrés metabólico provocado por el ejercicio o la deprivación de glucosa, por ejemplo. La activación de la AMPK incrementa los niveles de energía celular a través de la estimulación de rutas catabólicas (por ejemplo, transporte de glucosa, oxidación de grasas) y la inhibición  de rutas anabólicas (por ejemplo, síntesis de glucógeno, ácidos grasos y proteínas), al menos en parte, mediante la inhibición del blanco de rapamicina (mTOR). La AMPK estimula la β oxidación de ácidos grasos a través de la fosforilación de la  acetil CoA carboxilasa. La disminución resultante de los niveles celulares de malonil CoA activa la carnitina palmitoil transferasa 1, la enzima limitante  en la β oxidación mitocondrial. Hasta el presente, el mecanismo de este efecto supresor de la microbiota intestinal sobre la actividad de la AMPK no es conocido.

Fuente: Shen J, Obin MS y Zhao L (2013). The gut microbiota, obesity and insulin resistance. Molecular Aspects of Medicine 34: 39-58.

El eje intestino-cerebro

El término “eje intestino-cerebro” se refiere a la comunicación bidireccional entre el intestino y el cerebro. Cuatro rutas de comunicación (nervio vago y neuronas espinales aferentes, mediadores inmunes (citoquinas), hormonas intestinales y moléculas de señalización derivadas de la microbiota intestinal) transmiten  las señales desde el intestino al cerebro, mientras que las neuronas del sistema nervioso autónomo y factores neuroendocrinos lo hacen del cerebro al intestino. Normalmente, la mayor parte de las señales que son transmitidas del sistema digestivo al cerebro no alcanzan el nivel de conciencia. Sin embargo, la información  visceral continuamente es procesada en regiones subcorticales del cerebro, como el sistema límbico, y en  centros neuroendocrinos y del sistema nervioso autónomo   en  hipotálamo y  tallo cerebral. En condiciones patológicas, las señales del intestino pueden alcanzar la corteza dando origen a la sensación de nausea, disconfort o dolor.

El intestino con más de 20 hormonas  formadas en células endocrinas especializadas  de la mucosa intestinal es uno de los mayores órganos endocrinos del cuerpo humano. Las hormonas intestinales están involucradas en la coordinación de la digestión, el hambre, la saciedad y la regulación de la homeostasis metabólica. De las hormonas intestinales destacamos la familia de péptidos biológicamente activos formada por el neuropéptido Y (NPY), el péptido YY (PYY) y el polipéptido pancreático (PP), los cuales son expresados en  distintos niveles del eje intestino-cerebro. PYY y PP son expresados casi exclusivamente por células endocrinas en el nivel del sistema digestivo, mientras que el NPY se encuentra en todos los niveles del eje intestino-cerebro. La implicación funcional de estos péptidos de 36 aminoácidos en la comunicación entre el intestino y el cerebro es corroborada por la existencia de cinco tipos de receptores (Y1, Y2, Y4, Y5, Y6), a lo largo de las rutas de señalización intestino-cerebro. Los receptores Y, acoplados a proteína G, presentan afinidades características para los diferentes miembros de la familia de péptidos. Así, mientras el NPY y el PYY no difieren en su afinidad por los receptores Y1, Y2 y Y5, es particularmente notorio que el PP se une preferencialmente a los receptores Y4.

El PP, producido bajo control vagal colinérgico principalmente por las células F de los islotes pancreáticos y, en pequeñas cantidades, por células endocrinas del intestino, es secretado postprandialmente y sus acciones biológicas sobre la digestión y la ingesta de alimentos son mediadas preferencialmente por receptores Y4. El PP inhibe el vaciamiento gástrico a través de una acción que involucra al nervio vago; este efecto podría deberse, en parte a la capacidad del PP de reducir el apetito, un efecto que también depende de una señal vagal intacta. En el epitelio intestinal, el PP puede  inhibir la secreción de agua y electrólitos. Adicionalmente, el PP tiene también una acción inhibitoria sobre la actividad motora intestinal y el peristaltismo.  La administración periférica de PP causa una estimulación neuronal dependiente de receptores Y4 en el tallo cerebral, el hipotálamo y la amígdala. Sin embargo, no está claro si el PP puede alcanzar directamente estas estructuras cerebrales, aunque hay evidencia que el péptido puede entrar al cerebro preferencialmente vía órganos circunventriculares como el área postrema. En suma: el PP causa un balance energético negativo porque disminuye la ingesta de alimentos y el vaciamiento gástrico y porque incrementa el gasto de energía, estos efectos involucran también al nervio vago

La principal fuente de PYY en el intestino es la célula L, muy abundante en el tracto intestinal inferior. Otras fuentes de PYY en el sistema digestivo, aunque en pequeñas cantidades,  son las neuronas entéricas del estómago y las células endocrinas pancreáticas. Las células L contienen, además del PYY, glicentina,  péptido glucagonoide 1(GLP1) y péptido glucagonoide 2 (GLP2), derivados del proglucagón. Las células L expresan gustducina, una proteína G relacionada con los receptores gustativos, por lo que también actúan como sensores químicos en el intestino. La liberación de PYY inducida por la comida ocurre antes que los nutrientes alcancen el intestino inferior, lo cual indica que un mecanismo neural incluyendo al nervio vago podría estar involucrado en su liberación. La secreción de ácido en el estómago, la colecistoquinina, los ácidos biliares,  los ácidos grasos libres de cierta extensión (C12) y los ácidos grasos de cadena corta (particularmente el butirato) producidos a través de la fermentación de carbohidratos indigeribles por la microbiota intestinal,  también estimulan la liberación de PYY. En el cerebro de roedores, las neuronas PYY han sido localizadas en hipotálamo, protuberancia, bulbo y médula espinal. El PYY, liberado postprandialmente en proporción a la ingesta de energía, particularmente por grasas y proteínas,  actúa como una señal de saciedad para reducir la ingesta de alimentos. Una vez liberado, el PYY es en parte clivado a PYY_3-36, la principal forma circulante del PYY y el cual, a diferencia del PYY, es un agonista preferencial  de receptores Y2.  PYY y PYY_3-36 inhiben la secreción de ácido en el estómago, el transito gastrointestinal y la ingesta de alimentos en roedores y humanos. El efecto anoréxico del PY_3-36 se observa tanto en sujetos delgados como obesos y en dosis mayores está asociado con nauseas y vómitos. La ingesta de alimentos es inhibida por el PYY_3-36 por dos vías, a través de un efecto estimulador sobre receptores Y2 en las neuronas aferentes  vagales y por interacción con estos mismos receptores en el hipotálamo. Esto es consistente con la habilidad del PYY3-36 de acceder al cerebro vía órganos circunventriculares como el área postrema y el órgano subfornical,  y de atravesar la barrera hemato-encefálica en cierta extensión. En el hipotálamo, el PYY_3-36 reduce la ingesta de alimentos primariamente a través de la activación de receptores Y2 en el núcleo arcuato, un importante centro de integración de señales periféricas  y centrales en el control del apetito y la homeostasis energética. El núcleo arcuato contiene al menos dos poblaciones de neuronas que son relevantes en este sentido: las neuronas AgRP, orexinérgicas, que expresan NPY y proteína relacionada con el agouti (AgRP) y las neuronas POMC que expresan proopiomelanocortina (POMC), anorexigénicas. Estas neuronas envían proyecciones a varias áreas del hipotálamo (incluyendo el núcleo paraventricular) y recíprocamente inhiben el tono orexigénico/anorexigénico ejercido por las neuronas AgRP y POMC, respectivamente. El efecto anoréxico del PYY_3-36 es mediado primariamente por receptores Y2 presinápticos en las neuronas AgRP, inhibiendo su acción orexigénica y desinhibiendo las neuronas POMC.

En el intestino, el NPY ha sido localizado en distintas interneuronas  y neuronas motoras inhibitorias descendentes del plexo mientérico así como en neuronas secretomotoras no-colinérgicas del plexo submucoso. En las neuronas motoras inhibitorias, el NPY frecuentemente es colocalizado con el polipéptido intestinal vasoactivo y la sintetasa de óxido nítrico.  Una cantidad muy pequeña de NPY intestinal es proporcionada por las neuronas aferentes primarias que se originan en los ganglios de la raíz dorsal. El NPY inhibe la motilidad gastrointestinal y la secreción de agua y electrolitos. Estas acciones inhibitorias son mediadas principalmente por los receptores Y2, pero los receptores Y1 en las neuronas secretomotoras  y las células epiteliales y los Y4 en los enterocitos también contribuyen. El NPY es el neuropéptido más abundante en el cerebro, siendo expresado  por varios sistemas neuronales que van desde el tallo hasta la corteza cerebral. En el contexto del eje intestino-cerebro el NPY se localiza en el núcleo del tracto solitario, la médula ventrolateral, el locus ceruleus, el núcleo paraventricular del tálamo, el hipotálamo (núcleo arcuato, núcleo paraventricular y otras regiones), el septum, el hipocampo, la amígdala, los ganglios de la base, el núcleo acumbens y la corteza cerebral. Varias rutas neurales importantes utilizan al NPY como neurotransmisor, entre las cuales están las neuronas noradrenérgicas que se originan en el locus ceruleus, las neuronas AgRP del núcleo arcuato del hipotálamo y distintas rutas que operan en el sistema límbico. En el cerebro, el NPY activa principalmente  los receptores Y1 y Y2, ampliamente distribuidos en el sistema nervioso central. En menor extensión, actúa sobre los receptores Y4 y Y5, localizados en regiones particulares del cerebro como el núcleo del tracto solitario, el área postrema, el núcleo ambiguo, el hipotálamo, el  tálamo y la amígdala. El NPY es uno de los péptidos orexigénicos más potentes que se encuentran en el cerebro. Su efecto orexigénico es mediado primariamente por receptores Y1, pero también participan los receptoresY5. Otros sistemas neuronales del cerebro (tallo cerebral, núcleo acumbens y sistema corticolímbico) que expresan NPY también intervienen en la regulación del apetito y la ingesta de alimentos.

Fuente: Holzer P. et al (2012). Neuropeptide Y, peptide YY and pancreatic polypeptide in the gut-brain axis.  Neuropeptides 46: 261-274.

Los reguladores de las neuronas AgRP

Las neuronas que producen  proteína relacionada con el Agouti (AgRP) en el núcleo arcuato del hipotálamo son reguladoras críticas de la ingesta de alimentos. La activación de las neuronas AgRP en ratones causa hiperfagia, incrementa la motivación por la comida e inicia una intensa conducta relacionada con la alimentación, mientras que la inhibición  reduce la ingesta de alimentos. La actividad de las neuronas AgRP aumenta dramáticamente en respuesta al ayuno, señalando una necesidad de comer. Las neuronas AgRP producen también neuropéptido Y (NPY) y ácido gamma aminobutírico (GABA).

Las neuronas AgRP son blancos cruciales  de la acción de hormonas que regulan la ingesta de alimentos. Una de estas hormonas es la grelina, la cual promueve un balance energético positivo. La grelina fue identificada en 1999 como un ligando endógeno del receptor secretagogo de la hormona del crecimiento (GHSR) y es sintetizada y secretada principalmente por las células endocrinas del estómago y el intestino. La administración, central y periférica, de grelina estimula el apetito y la ingesta de alimentos, incrementa el peso corporal, promueve la adiposidad y disminuye el gasto de energía en roedores indicando un impacto orexigénico a través de  señales centrales. En el núcleo arcuato, los GHSRs son expresados predominantemente en las neuronas AgRP y en una proporción muy baja en las neuronas pro-opiomelanocortina (POMC), la población neuronal anorexigénica. La grelina dispara la actividad de las neuronas AgRP e inhibe indirectamente las neuronas POMC,  a través de la activación de las neuronas AgRP. La AgRP antagoniza los receptores melanocortina, MC3R y MC4R, los cuales son estimulados por los productos resultantes del clivaje de la POMC.

La leptina, una hormona producida por el tejido adiposo, contrarresta los efectos de la grelina en la regulación del balance energético y la ingesta de alimentos.  El gen de la leptina fue clonado en 1994 y un año después fue clonado el gen del receptor de leptina (ObR o LepR). Los ratones con deficiencia de leptina o de su receptor muestran un fenotipo obeso, indicando el papel crucial de la señal de leptina  en la regulación de la ingesta de alimentos y el gasto de energía. El ObR es altamente expresado en el hipotálamo, en el núcleo arcuato se expresa densamente en las neuronas AgRP y POMC. Consistente con su papel anorexigénico, la leptina inhibe directamente la actividad de las neuronas AgRP y despolariza las neuronas POMC.  Aunque los GHSRs y los ObRs son co-expresados en la parte medial del núcleo arcuato, la función de los ObRs es independiente de los GHSR.

La insulina, producida y secretada por las células β del páncreas, es una hormona con un papel crucial en la regulación de la glucemia. Además de las acciones glucorreguladoras en tejidos periféricos, la insulina también es importante por sus acciones en el cerebro, especialmente en el hipotálamo. Los receptores de insulina (IR) son expresados en muchas regiones del sistema nervioso central incluyendo al hipotálamo. La señal insulina/PI3K en las neuronas AgRP y POMC es requerida para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa. Estudios recientes sugieren que la insulina actúa sobre las neuronas AgRP para ejercer una acción anorexigénica, la cual es mediada por la activación de la ruta de señalización fosfatidilinositol 3 kinasa (PI3K). La insulina, igual que la leptina,  hiperpolariza las neuronas AgRP. Aunque los IRs y los ObRs son coexpresados en las neuronas AgRP y POMC, las acciones de ambos receptores  son integradas por la PI3K en las neuronas POMC, pero no en las neuronas AgRP.

Las neuronas AgRP también están sometidas a regulación neural, aunque sobre ello el conocimiento es muy poco. Un estudio reciente reporta que la disminución de impulsos glutamatérgicos en las neuronas AgRP está asociada con  disminución en el peso corporal y en la ingesta de alimentos y que los receptores NMDA de glutamato son requeridos para la activación (aumento de las sinapsis excitatorias en las espinas dendríticas) inducida por el ayuno de las neuronas AgRP. En este sentido, se ha propuesto el siguiente modelo tentativo para explicar como el ayuno regula la activación de las neuronas AgRP: ayuno → espinogénesis dendrítica → formación de nuevas sinapsis excitatorias → transmisión glutamatégica aumentada → activación de neuronas AgRP. La pregunta obvia es identificar la(s) fuente(s) de los impulsos gltamatérgicos. Al respecto, se sugiere que tales fuentes podrían estar en los núcleos hipotalámicos arcuato, ventromedial, dorsomedial,  y paraventricular, o en regiones extrahipotalámicas como el núcleo basolateral de la amígdala y el núcleo premamilar ventral.

Fuente: Liu T. et al (2013). Action of neurotransmitter: a key to unlock the AgRP neuron feeding circuit. Frontiers in Neuroscience 6, artículo 200.

Las neuronas AgRP y la regulación del balance energético

Las neuronas AgRP constituyen una población de aproximadamente 1000 células que producen proteína relacionada con el agouti (AgRP), neuropéptido Y (NPY) y ácido gamma aminobutírico (GABA). Desde su descubrimiento en 1997, la AgRP ha sido considerada como agonista inverso de lo receptores melanocortina MC3R y MC4R. La AgRP  es coexpresada con el NPY, otro neuropéptido que estimula la ingesta de alimentos y regula la ganancia de peso.  La naturaleza inhibitoria de las neuronas NPY/AgRP ha sido confirmada a través de la identificación del GABA como su neurotransmisor ionotrópico. Estas células son ahora conocidas como neuronas AgRP porque, a diferencia del NPY y el GABA que son ampliamente expresados en el sistema nervioso, la AgRP es producida únicamente por estas neuronas.  Las neuronas AgRP están localizadas en el núcleo arcuato del hipotálamo, en el fondo del tercer ventrículo,  cercanas a la eminencia media. En esta región, la barrera hemato-encefálica es fenestrada lo cual facilita el intercambio sangre-cerebro y las neuronas que residen allí son referidas como “neuronas de primer orden” porque son las primeras que responden a las señales circulantes de hambre y saciedad.

En el núcleo arcuato del hipotálamo existe también  un grupo de  neuronas que producen  pro-opiomelanocortina (POMC) y transcripto relacionado con la cocaína y la anfetamina (CART). Estas neuronas secretan hormonaadrenocorticotropa (ACTH) y  hormona estimulante de melanocitos (MSH α, β y γ), las cuales  derivan del procesamiento post-translacional de la POMC. Las neuronas POMC y AgRP son dos componentes, funcionalmente opuestos, del “sistema melanocortina central”, un término que se refiere a un conjunto de  rutas de señalización hormonal, neuropeptidérgica y paracrina que son definidas por componentes que incluyen a los receptores melanocortina(MC1-5R) acoplados a proteína G. En el sistema nervioso central se localizan los MC3R Y MC4R, los últimos están ampliamente distribuidos, mientras que los primeros se expresan principalmente en las neuronas POMC y AgRP. La relación antagónica entre los dos grupos de neuronas  resulta de  la inhibición tónica GABAergica de las neuronas AgRP sobre las neuronas POMC y de la interacción del NPY con el receptor NPY-Y1de las neuronas POMC. Las dos poblaciones de neuronas emiten proyecciones intrahipotalámicas hacia el hipotálamo lateral y los núcleos paraventricular, ventromedial y dorsomedial, y proyecciones extrahipotalámicas hacia el núcleo del tracto solitario, el núcleo parabraquial, la amígdala y el lecho de la estría terminal. En estas regiones, las proyecciones de las neuronas AgRP se encuentran en aposición con fibras que contiene α-MSH. La liberación de α-MSH por las neuronas POMC y su unión a los MCRs inicia la ruta de señalización anoréxica central que produce la disminución de la ingesta de alimentos y el incremento en el gasto de energía mientras que las neuronas AgRP ejercen su acción orexigénica, al menos en parte, bloqueando la unión de la α-MSH a su receptor  y por lo tanto inhiben la ruta anoréxica inducida por la α-MSH. Por otro parte, las neuronas AgRP ejercen  una inhibición tónica GABAergica sobre las neuronasdel núcleo paraventricular que producen hormona liberadora de tirotropina, oxitocina y hormona liberadora de corticotropina, todas ellas expresan MC4R. La unión de la α-MSH al MC4R en estas neuronas tiene una acción positiva  sobre los ejes hipotálamo-hipófisis-tiroides (HPT) e hipotálamo-hipófisis-adrenal.  Durante el ayuno, el incremento en la liberación de AgRP es un mecanismo clave para la adaptación del eje HPT al balance energético negativo.

En síntesis, el concepto dominante es que la acción orexigénica y anabólica de las neuronas  AgRP resulta del antagonismo con las neuronas POMC. Sin embargo, hay varias líneas de evidencias que apoyan una ruta independiente de melanocortina. Algunos datos recientes sugieren que la AgRP puede ejercer su acción como agonista de receptores no identificados, los cuales  son independientes de la ruta de señalización  de las melanocortinas, mientras que otros datos sugieren algunas funciones de las neuronas AgRP no relacionadas con la alimentación. En estas investigaciones se demostró que la inhibición de las neuronas POMC no es necesaria ni suficiente para disparar la ingesta de alimentos por parte de las neuronas AgRP pues la co-estimulación de ambos tipos de neuronas resulta en una rápida respuesta para ingerir los alimentos. En otras palabras, la extinción de la señal α-MSH no es obligatoria para que las neuronas AgRP inicien la ingesta de alimentos.

El GABA producido por las neuronas AgRP es requerido para mediar su acción de una manera independiente de melanocortina, especialmente en el núcleo parabraquial, una estructura pontina  que relaciona los circuitos sensoriales gustativos con los centros cerebrales que procesan los aspectos de recompensa y motivación relacionados con la alimentación a través de la activación del sistema dopaminérgicomesolímbico.  Las señales de  saciedad viscerosensitivas iniciadas en el sistema digestivo llegan al núcleo del tracto solitario primariamente por la porción aferente  del nervio vago. A su vez, el núcleo del tracto solitario ejerce una acción anoréxica a través de la excitación glutamatérgica del núcleo parabraquial. La activación de las neuronas AgRPinhibe, a través del GABA, la excitación del núcleo parabraquial y por tanto minimiza la influencia de las señales de saciedad viscerosensitivas.

Un estudio reciente proporciona evidencia de que las neuronas AgRP participan directamente en la modulación de la señal dopaminégica a través de una proyección directa en el área tegmental ventral. El reforzamiento y la motivación asociados con la alimentación están relacionados con la liberación de dopamina por las neuronas del área tegmental ventral que se proyectan al núcleo acumbens y otras regiones del sistema límbico. La liberación de dopamina en el área tegmental ventral es estimulada por los alimentos ricos en grasas y azúcares así como también por otros objetos de deseo (sexo, drogas, etc). Una actividad reducida de las neuronas AgRP resulta en una mayor excitabilidad de las neuronas del área tegmental ventral y por lo tanto en un aumento de la motivación y recompensa mediadas por la dopamina.

En resumen, el núcleo arcuato del hipotálamo contiene al menos dos poblaciones de neuronas –AgRP y POMC- que continuamente procesan las señales que reflejan el estatus energético y promueven las respuestas conductuales y metabólicas apropiadas para los cambios en la demanda de energía. La activación de las neuronas POMC disminuye la ingesta de alimentos e incrementa el gasto de energía. La activación de las neuronas AgRP  –no la inhibición de las neuronas POMC- es necesaria y suficiente para promover la alimentación. Las proyecciones de axones que expresan AgRP inervan estructura mesolímbicas, pontinas y del cerebro medio donde regulan la alimentación y otras funciones  como la recompensa y la motivación. El GABA producido por las neuronaasAgRP es el mediador de muchas de las funciones críticas, independientes de melanocortina,  de estas neuronas.

Fuente: Cansell C. et al (2012). ArcuateAgRP neurons and the regulation of energy balance. Frontiers in Endocrinology 3, artículo169.

Las adipoquinas y sus efectos sobre las células β del páncreas

El tejido adiposo es un órgano endocrino activo que produce sustancias con una amplia variedad de acciones fisiológicas.  Las moléculas liberadas por el tejido adiposo son llamadas adipoquinas (o adipocitoquinas) y su número  crece cada año. Sin embargo, no todas las adipoquinas son péptidos o proteínas con propiedades hormonales, algunas son citoquinas. Más aún, para algunos autores, los ácidos grasos no esterificados pueden también ser considerados adipoquinas.  Las adipoquinas constituyen una parte importante del “eje adipo-insular” de naturaleza bidireccional, cuya desrregulación puede contribuir a la insuficiencia funcional de las células β de los islotes pancreáticos y por tanto conducir a la diabetes tipo 2.

La leptina, descubierta en 1994, fue la primera adipoquina asociada con efectos directos sobre los islotes pancreáticos y, hasta ahora, la más estudiada de todas las adipoquinas con respecto a sus efectos sobre las células β. La leptina tiene un potente efecto inhibidor sobre la secreción de insulina y, además, reduce la expresión del gen de la proinsulina.  Los efectos de la leptina sobre las células β son directos y mediados por el receptor de leptina Ob-Rb (o LepRb). La leptina puede activar múltiples rutas de señalización en la célula β  incluyendo  la JaK/STAT  y la  MAPK/ERK. Otra ruta de señalización afectada por la leptina  es la fosfoinositido 3-quinasa (PI3K), activada por la insulina.  Este efecto de la leptina involucra la inhibición de la fosfatasa de lípidos PTEN, la cual actúa desfosforilando al fosfatidilinositol (3,4,5) trifosfato (Ptdinas (3,4,5)P3) y, por consiguiente, disminuye sus niveles. La leptina incrementa los niveles de ptdinas(3,4,5)P3, con lo cual incrementa la activación de los canales de potasio dependientes de ATP, la hiperpolarización de la membrana de la célula β y, por tanto, inhibe la secreción de insulina estimulada por la glucosa.

La adiponectina es una adipoquina que mejora la sensibilidad de los tejidos a la insulina y la función vascular, por lo que se la considera como anti-diabética y anti-aterogénica. El incremento en la adiposidad está asociado con la disminución de la secreción de adiponectina, aparentemente debido a que el adipocito hipertrófico libera menos adiponectina. La adiponectina circulante es primariamente una asociación multimérica (trimérica, hexamérica y alto peso molecular) que  localmente es proteolíticamente convertida en la forma globular (trimérica).  El receptor de adiponectina (AdipoR) pertenece a la familia de  receptores acoplados a proteína G y, hasta el presente,  se han clonado dos formas, AdipoR1 y AdipoR2. Ambos AdipoRs son expresados en las células β, pero con mayores niveles del AdipoR1. Muchos de los efectos de la interacción adiponectina-AdipoR son mediados por la AMPK, el receptor activado por el proliferador de peroxisoma α  (PPARα)  y la p38 MAPK. El efecto neto de la adiponectina es preservar la masa de células β, incrementando la proliferación celular e inhibiendo la apoptosis, mientras que los bajos niveles  de la hormona, característicos de la obesidad y la diabetes tipo 2,  podrían contribuir a su reducción.

El factor de necrosis tumoral α (TNFα) es una adipoquina implicada en la inducción de resistencia a la insulina, con altos niveles circulantes en la obesidad. Los efectos directos del TNFα sobre las células β inhiben la secreción de insulina. Por otro lado, según algunos reportes, el TNFα induce la expresión de amilina en la célula β. La  acumulación de amilina como amiloide es un potencial factor de la destrucción de  células β en la diabetes tipo 2. También se ha sugerido que un incremento en la relación amilina/insulina en la circulación podría contribuir a la resistencia a la insulina. Esto implica un papel adicional del TNFα en la relación entre obesidad y diabetes tipo 2.

La resistina, identificada como adipoquina en 2001, regula negativamente la expresión del receptor de insulina en las células β de roedores induciendo resistencia a la insulina en los islotes pancreáticos  con la consiguiente reducción de la secreción de insulina estimulada por la glucosa. Estos hallazgos, sin embargo, no han sido reproducidos  en islotes de humanos.

La visfatina, anteriormente descrita como factor estimulador de colonias de células pre-β 1 (PBEF1), es actualmente una enzima fosforibosil transferasa (nicotinamida fosforibosil transferasa (NAMPT) secretada por el tejido adiposo.  Descrita originalmente como un insulinomimético, la visfatina, según reportes recientes, puede actuar en la célula β de una manera similar a las adipoquinas para incrementar la secreción de insulina. De acuerdo con estos reportes, la visfatina no sólo incrementa la secreción de insulina sino que también tiene un efecto directo en la activación de  los receptores de insulina en la célula β, incrementando su fosforilación. Los mecanismos que subyacen a las acciones de la visfatina en la célula β no son completamente conocidos,  pero al parecer involucran la producción de mononucleótido de nicotinamida.

La dipeptidil peptidasa IV (DDP-IV) y la apelina son dos adipoquinas recientemente descritas. La DDP-IV es una peptidasa conocida por su acción en el clivaje de las hormonas incretinas, GLP1 y GIP, que reduce su vida media a sólo algunos minutos. Esto tiene claras implicaciones en la función de las célulaa β pues es conocido que las incretinas estimulan la secreción postprandial de insulina y regulan positivamente la masa de células β. Por lo tanto, las acciones de esta adipoquina pueden tener un potente efecto sobre la capacidad del páncreas para contrarrestar la resistencia a la insulina. La apelina funciona como una adipoquina con efectos sobre la conducta alimentaria y la utilización de la glucosa. El receptor de apelina (APJR) es expresado en los islotes pancreáticos y su activación por la apelina  inhibe la secreción de insulina. La evidencia reciente sugiere que la apelina es también expresada en los islotes pancreáticos, particularmente en las células α y β, lo que hace pensar en  posibles efectos autocrinos/paracrinos  de este péptido.

En conclusión, las adipoquinas (leptina. adiponectina, factor de necrosis tumoral α, resistina, visfatina, dipeptidil péptidas IV y apelina) tienen roles diversos en  la función, proliferación, muerte e insuficiencia  de las células β y en el mantenimiento o pérdida de la masa de células β.

Fuente: Dunmore SJ y Brown JEP (2013). The role of adipokines in β-cell failure of type 2 diabetes. Journal of Endocrinology 216: 137-145.

¿Qué significa para la endocrinología  los estudios metabolómicos?

La metabolómica es una técnica que proporciona la evaluación integral de moléculas pequeñas que son sustratos o productos de vías metabólicas consideradas como huellas (“fingerprint”) del metabolismo. Los recientes avances en este campo permiten la adquisición de perfiles metabólicos con alto rendimiento en biofluidos diferentes, tales como el plasma o la orina de modelos animales o seres humanos. Las plataformas de análisis más comunes son la espectrometría de masas y la resonancia magnética nuclear,   las cuales permiten la detección de la “huella metabólica” (perfiles metabólicos) de individuos;  así como el análisis no selectivo cuantitativo o semicuantitativo  para la  medición de metabolitos dinámicos (metabolómica).

Los espectros detectados contienen desde cientos a miles de señales las cuales se relacionan con contribuciones genéticas y ambientales.  Por lo que  estas técnicas son las herramientas más prometedoras para la identificación de nuevos biomarcadores.

Básicamente todas las técnicas ÓMICas,  tales como los estudios asociados al genoma (GWAS= genoma-wide association studies), la transcriptómica, la proteómica  así como la metabolómica son capaces de identificar vías o mecanismos subyacentes desconocidas hasta ahora para muchas enfermedades, especialmente en el campo de la endocrinología. La principal limitación de los GWAS actuales, incluso para uso clínico en enfermedades multifactoriales, es que este método sólo proporciona información acerca de la contribución genética.

Recientemente, se han  publicado artículos destacados que  prueban la asociación de estudios sobre todo el genoma y datos obtenidos con la metabolómica. Dichos estudios identificaron diferentes polimorfismos genéticos con grandes efectos sobre las capacidades metabólicas de individuos y demostraron que la variación genética está relacionada con el metabolismo, lo que conduce a la clara diferenciación de fenotipos metabólicos denominados “metabotipos determinados genéticamente”. La mayoría de estos genes codifican para enzimas y proteínas transportadoras. Se demuestra que los avances de estas técnicas en la correlación de las variaciones genéticas y el metaboloma, refleja la cercanía entre las  OMICas y el fenotipo como un primer paso al análisis integrado de las mismas.

Adicionalmente, el crecimiento rápido de la investigación en este campo de la metabolómica ha introducido nuevos conocimientos sobre la diabetes, así como métodos para predecir el inicio de la enfermedad, revelando nuevos biomarcadores. La diabetes es la enfermedad metabólica más común  y sus complicaciones tienen un impacto económico significativo en el sistema de salud. La predicción de la diabetes tipo 2 en pacientes asintomáticos, así como la estratificación del riesgo de complicaciones de manera personalizada en pacientes en los cuales ha sido diagnosticada, se convertirá en uno de los principales objetivos en los próximos años. La literatura reciente de esta enfermedad endémica fue revisada por  Friederich (2012). La comparación global de diferentes modelos animales y vías relacionadas con el fenotipo de la diabetes tipo 2 puede ser una herramienta básica muy prometedora para la individualización de la predicción del riesgo y terapia a futuro.

Hasta ahora, la caracterización de los trastornos y las  enfermedades endocrinas ha incluido la medición de las hormonas  efectoras, sus principales reguladores (pituitaria) o las pruebas dinámicas. Una de las limitaciones de la actual caracterización bioquímica de las enfermedades endocrinas en el camino hacia la medicina personalizada es el coeficiente de variación (CV) analítico  de los inmunoensayos más relevantes. Actualmente, podríamos dudar del CV moderado de ensayos automatizados utilizados corrientemente; por el contrario,  sería más  adecuado  interpretar los cambios individuales contra los antecedentes de la variabilidad  biológica, como uno de los requisitos claves para la medicina personalizada.

Aún más, el sistema endocrino es el principal regulador del metabolismo. Por lo tanto, los trastornos endocrinos y enfermedades que afectan a los diferentes tipos metabólicos o vías influidas por los distintos factores genéticos y ambientales,  no se pueden caracterizar por una sola medición. Por lo tanto, los perfiles metabólicos de suero u orina son considerados como indicadores de cada uno de los estados fisiológicos y fisiopatológicos a proporcionar información metabólica como una herramienta de marcador de enfermedad y seguimiento del tratamiento.

Así, la combinación de un conjunto de datos clínicos (fenotipo) y moleculares (ÓMICAs) deberían ser integrados en una futura plataforma bioinformática  que sirva como un sistema de apoyo para la toma de decisiones, siendo un punto de atención para llevar a la realidad esta visión de la medicina personalizada a la endocrinología de la diabetes.

En resumen, en las revisiones recientes en el campo de la endocrinología se introduce a la metabolómica como una técnica del perfil de los  metabolitos en individuos con trastornos metabólicos o endocrinos. Estos cierran la brecha entre las ciencias las básicas de la ÒMICas y el conocimiento clínico actual del metabolismo, que muestra una perspectiva prometedora para la medicina personalizada en endocrinología.

Fuentes:

Henri Wallaschofski (2012) What will metabolomics studies mean to endocrinology? Journal of Endocrinology (2012) 215, 1–2.

Friederich, N.(2012). Metabolomics in diabetes research. Journal of Endrocrinology (2012) 215: 29-42.