Efectos fisiológicos del péptido C

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

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

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

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

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

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

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

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

Los receptores adrenérgicos y  la homeostasis de la glucosa

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Los canales TRP y la homeostasis ósea.

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

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

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

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

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

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

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

El rol endocrino de la osteocalcina del  esqueleto

La hipótesis que postula la regulación del remodelado óseo por el metabolismo energético deriva de las observaciones clínicas que señalan que la osteoporosis ocurre con  menor frecuencia  en sujetos obesos y con mayor frecuencia en pacientes con hipogonadismo. Estos hallazgos sugieren una conexión- y una regulación común- entre hueso, metabolismo energético y reproducción. El hueso, a través de la osteocalcina,  podría estar involucrado en la regulación del metabolismo de la glucosa y la reproducción, convirtiendo al esqueleto en un verdadero órgano endocrino.

La osteocalcina (OC) es  una proteína producida por los osteoblastos que es carboxilada  en tres residuos de ácido glutámico post-transcripcionalmente, de una manera dependiente de vitamina K, por la enzima γ-glutamil carboxilasa. El ácido γ-carboxiglutámico (Gla) resultante es un aminoácido que tiene la propiedad  de unirse al calcio libre y a las superficies minerales que contienen calcio. La proteína intracelular tirosina fosfatasa 1B (PTP1B) también favorece la carboxilación de la OC en los osteoblastos. Los residuos Gla proporcionan a la OC alta afinidad por la matriz ósea Sin embargo, la OC completamente carboxilada se considera biológicamente inactiva. Por el contrario, las formas incompletamente carboxiladas de la OC (ucOC) muestran características hormonales tales como la liberación en un patrón circadiano y la síntesis como una pre-pro-molécula.  Ambas formas de la OC  se encuentran en la circulación sistémica. Estudios recientes señalan que el adipocito produce y secreta las dos formas de la OC y que los andrógenos incrementan la expresión de ambas formas de OC en el tejido adiposo.

La ucOC  tiene tres blancos conocidos: el páncreas, el tejido adiposo y las gónadas. Las funciones de ucOC  incluyen el incremento en la secreción de insulina en las células β del páncreas y el incremento en la sensibilidad a la insulina en músculo, hígado y tejido adiposo. En el tejido adiposo, la ucOC también incrementa la expresión  del gen que codifica a la adiponectina, la cual aumenta la sensibilidad a la insulina en los tejidos. La adiponectina puede también inducir la proliferación  y diferenciación de los osteoblastos. La regulación del metabolismo óseo por el tejido adiposo es también una función de la leptina que actúa sobre los osteoblastos a través de dos rutas neurales diferentes. En primer lugar, la leptina inhibe la producción de serotonina en los núcleos del rafe del cerebro. La serotonina se une a receptores HTR2C de neuronas del hipotálamo ventromedial y reduce la actividad del sistema nervioso simpático. Entonces, la  leptina, a través de la disminución de la síntesis de serotonina, incrementa la señal del sistema nervioso simpático que ejerce sus funciones vía receptores adrenérgicos β2 expresados en los osteoblastos. La leptina, pues, activa dos cascadas distintas: una inhibe la proliferación de osteoblastos y  otra promueve la expresión de RANKL y, por tanto, la resorción ósea por los osteoclastos. . En segundo lugar, la leptina se une a neuronas del núcleo arcuato del hipotálamo e induce un incremento en  la expresión del gen del transcripto regulado por cocaína y anfetamina  (CART). El CART disminuye la expresión de RANKL por los osteoblastos a través de un mecanismo desconocido y por tanto inhibe la resorción ósea. Se asume que el CART actúa más como un factor circulante que como  neuropéptido. En suma: a través del CART y del sistema nervioso simpático la leptina previene el incremento de masa ósea.

En las gónadas, la ucOC induce la producción de testosterona en las células de Leydig pero carece de influencia sobre la producción de estrógenos o testosterona en los ovarios. Esto se debe a que los ovarios, a diferencia de los testículos,  no expresan el receptor acoplado a proteína G (GPRC6A) de la ucOC.  Estos hallazgos resaltan la importancia del eje hueso-testículo especialmente durante el período de crecimiento rápido del esqueleto. Comenzando en una edad ósea de 11 años, los niveles de testosterona aumentan debido a las influencias hipotalámicas-hipofisiarias y la OC aumenta  debido al crecimiento óseo hasta alcanzar un pico a la edad ósea de 14 años. Se establece entonces una influencia reciproca: la OC estimula la producción de testosterona y la testosterona contribuye al crecimiento óseo.

La bioactividad de la OC es contralada por dos hormonas contrapuestas, leptina e insulina. La leptina, además de aumentar la resorción ósea, incrementa en los osteoblastos la expresión de la proteína PTP1B que como se señaló anteriormente favorece la carboxilación de la OC. Con el descubrimiento del asa de retroalimentación entre el páncreas y los osteoblastos,  la insulina se ha convertido en un regulador positivo de la bioactividad de la ucOC. El receptor de insulina  es una tirosina quinasa y es expresado por los osteoblastos. Este receptor puede ser un sustrato para la PTP1B, por lo que la cascada de señalización de la insulina podría ser interrumpida. Si esto no ocurre, la unión de la insulina a su receptor causa una disminución  en la expresión de OPG  y de la relación OPG/RANKL. Por tanto, la resorción ósea por los osteoclastos es aumentada y la matriz extracelular del hueso es acidificada. El cambio de pH favorece la liberación de OC a la laguna de resorción y su posterior descarboxilación. La ucOC es liberada a la circulación sistémica y ejerce sus efectos positivos sobre la sensibilidad de los tejidos a la insulina. El estatus de descarboxilación es en efecto determinado por los osteoclastos en cuanto que el medio ácido en la laguna de resorción  es el responsable de la descarboxilación de la OC.  Estos hallazgos apoyan el rol central de la señal de insulina en los osteoblastos y destacan a la resorción ósea como el enlace clave entre la remodelación ósea y el metabolismo energético.  

Fuente: Schwetz V et al (2012). The endocrine role of the skeleton: background and clinical evidence. European Journal of Endocrinology 166: 957-967.

El cilio primario como sensor extracelular en el hueso.

El hueso es un tejido sensitivo en constante remodelación y adaptación de su estructura.  La adaptación inducida por la carga mecánica es requerida para mantener un esqueleto saludable y es controlada, en última instancia, por las células óseas. Las células óseas responden a la estimulación mecánica (el flujo de fluidos, por ejemplo) con un incremento en la expresión de genes osteogénicos y la secreción de proteínas. Los osteocitos son las células más abundantes en el hueso y están idealmente posicionadas  para monitorear el ambiente mecánico del hueso y comunicar esta señal a las  células efectoras (osteoblastos y osteoclastos). Sin embargo, cómo estas células transducen este estímulo extracelular en una respuesta bioquímica intracelular es todavía pobremente entendido. En la mecanosensación de las células óseas se han propuesto e investigado numerosos potenciales sensores extracelulares: canales iónicos, integrinas y proteínas asociadas, conexinas y actina del citoesqueleto. Debido a la complejidad del ambiente mecánico  extracelular en el hueso, estos potenciales mecanosensores interactúan unos con otros, integrando las múltiples señales extracelulares en una coherente y única señal.

Trabajos recientes han revelado un nuevo y potencial mecanosensor, el cilio primario. Aunque la existencia del cilio primario en el hueso fue demostrada con microscopía electrónica hace 40 años, ha sido en lo últimos 10 años que ha adquirido importancia el concepto de que este organelo puede jugar un papel en la regulación de la homeostasis del hueso. Sobre la base del papel del cilio como sensor del flujo en el riñón y la importancia  del flujo de fluidos en la regulación del recambio óseo, se ha propuesto que el cilio primario puede actuar como un sensor del flujo de fluido intersticial en el osteocito.

En los osteocitos, el cilio primario es un organelo celular de 4 a 9 μm de longitud, unido a la membrana y que consiste en nueve dobletes de microtúbulos (axonema) que se extienden a partir  de los tripletes de microtúbulos del centriolo .arreglados circunferencialmente. El axonema del cilio está separado del citoplasma creando un microdominio para la localización y concentración de receptores, canales iónicos y proteínas efectoras. Extendiéndose en el medio extracelular, el cilio primario está idealmente posicionado para actuar como un organelo sensorial. En la actualidad se acepta ampliamente que el cilio primario juega  importantes roles coordinando varias rutas de señalización, y que  actúa como un sensor extracelular con capacidades quimiosensoriales y mecanosensoriales a través de receptores y canales iónicos localizados en el axonema. La localización extracelular del cilio no solo optimiza las funciones quimiosensoriales sino que también lo posiciona perfectamente  como sensor del ambiente mecánico extracelular local. Se ha demostrado que el cilio primario se fleja  con el flujo de fluido, esta deflexión resulta en un incremento de Ca²⁺  intracelular que es dependiente de la entrada de Ca²⁺ extracelular a través de los canales de Ca²⁺ del microdominio ciliar.

Los osteocitos coordinan la adaptación ósea inducida por carga a través de la  regulación de osteoblastos, osteoclastos y osteoprogenitores. Los osteocitos responden a la estimulación del flujo de fluido intersticial con un incremento en la expresión del gen de la ciclooxigenasa 2 (COX-2), involucrada en la producción de PGE2,  y también con el incremento de la relación OPG/RANKL que regula la diferenciación de los osteoclastos. Adicionalmente, los osteocitos estimulados mecánicamente secretan factores solubles que actúan de manera paracrina para aumentar la expresión de genes osteogénicos en la stem cell mesenquimática. Este mecanismo paracrino desaparece con la remoción del cilio primario, lo que sugiere  que el organelo  es requerido por los osteocitos para sensar un estímulo mecánico externo como el flujo de fluido intersticial y generar la señal para las células efectoras que regulan la formación de hueso.  

El mecanismo molecular de la mecanotransducción mediada por cilio en los osteocitos involucra al AMPc y a la adenil ciclasa 6 (AC6). En los osteocitos, la estimulación del flujo de fluido intersticial  provoca la disminución  de los niveles de AMPc, una respuesta que es necesaria para que se produzca el incremento en la expresión de COX-2. El efector primario del AMPc es la proteína quinasa A (PKA) involucrada en varias rutas de regulación de la formación de hueso y que se localiza en la base del cilio primario. La PKA  activa la cascada de señalización ERK1/2-CREB, la cual es estimulada por el flujo en las células óseas. La PKA también inhibe la degradación del factor de transcripción β-catenina, mediada por GSK-3β, cuya translocación nuclear se ha demostrado que ocurre  con el flujo en la osteogénesis.  La AC6 es la única de las 9 isoformas de la adenil ciclasa presente en el microdominio ciliar del osteocito y es inhibida por el Ca²⁺. Si se bloquea la entrada de Ca²⁺ en la célula se previene la disminución de AMPc mediada por el flujo, lo cual indica que la entrada de Ca²⁺ en el microdominio ciliar del  es el disparador inicial   de la mecanorespuesta dependiente del cilio primario  en el osteocito.

En resumen, la deflexión del cilio primrio activa canales de Ca²⁺ (TRPV4) con la consiguiente inhibición de la actividad de la AC6 por parte del Ca²⁺, lo cual disminuye los niveles intracelulares  de AMPc, lo cual resulta en un incremento de la expresión de genes osteogénicos.

Fuente: Hoey DA et al (2012). The primary cilium as a novel extracellular sensor in bone.  Frontiers in Endocrinology 3: artículo 75.

La señal glutamato en el hueso

La carga mecánica juega un papel clave en la fisiología del hueso, permitiéndole  adaptarse funcionalmente  a su ambiente. Sin embargo, la caracterización de los eventos de señalización que relacionan la carga con la formación de hueso es incompleta. Estudios recientes involucran al glutamato en la mecanorespuesta. Los componentes funcionales  de cada etapa de la ruta de señalización del glutamato han sido identificados en el hueso, incluyendo receptores, transportadores y las proteínas necesarias para la exocitosis  mediada por calcio. Nervios glutamatérgicos han sido identificados en la vecindad  de las células óseas que expresan receptores de glutamato, pero su significado fisiológico es desconocido.

Los receptores de glutamato pueden ser clasificados en ionotrópicos (iGluR) y metabotrópicos (mGluR). Los iGluRs pueden ser clasificados atendiendo a la secuencia homóloga y la preferencia por el agonista en: DL-α-amino-3hidroxi-5-metilisoxazole-4-propionato (AMPA), kainato (KA), y N-metil-D-aspartato (NMDA), los cuales están asociados con canales iónicos permeables a cationes específicos. La expresión de los iGluRs es regulada por la carga mecánica.  Los mGluRs son receptores acoplados a proteína G y se clasifican en tres grupos funcionales de acuerdo a su sensibilidad a los agonistas endógenos y el mecanismo de señalización intracelular: grupo I (mGluR1 y mGluR5), grupo II (mGluR2 y mGluR3) y grupo III (MGluR4, mGluR6, mGluR7 y mGluR8).

Los transportadores de glutamato de alta afinidad (transportadores de aminoácidos excitadores,  EAATs) en las membranas pre y postsináptica terminan el evento de señalización removiendo el glutamato de la hendidura sináptica. Estos transportadores se clasifican en cinco subtipos (EAAT1/GLAST, EAAT2/GLT-1, EAAT3/EAAC1, EAAT4 y EAAT4). GLAST y GLT-1 son expresados en osteoblastos y osteocitos. En los osteoclastos, los EAATs predominantes son EAAT2 y 4. Los EAATs transportan glutamato en contra de su gradiente de concentración. Tres iones Na⁺ y un protón son co-transportados con glutamato y un ión K⁺ es contra-transportado permitiendo que un carga neta positiva se mueva dentro de la célula. La localización de los EAATs adyacente a los receptores de glutamato modula la disponibilidad de glutamato para la activación de receptores, influyendo los eventos de señalización intracelular.  Los EAATs son regulados por la concentración extracelular de glutamato, consistente con la noción que los EAATs pueden exhibir mecanismos similares  de regulación de la activación de los receptores de glutamato en las células óseas.

Los osteoblastos expresan los componentes funcionales  requeridos para la libración de glutamato incluyendo las moléculas involucradas en el empaquetamiento en vesículas, el desplazamiento y la fusión. Durante la diferenciación de los osteoblastos la concentración intracelular de glutamato es regulada a través de la acción de la glutamina sintetasa, la cual convierte glutamato en glutamina. La actividad de la glutamina sintetasa disminuye rápidamente durante la mineralización lo que  incrementa la concentración intracelular de glutamato. El estímulo inicial para la liberación de glutamato en los osteoblastos aún no está claro, se ha propuesto que la carga mecánica puede abrir canales de calcio sensibles al estiramiento en los osteocitos para liberar glutamato y activar receptores en los osteoblastos.

La señal glutamato puede modular la diferenciación y actividad de los osteoblastos.  Los osteoblastos liberan glutamato para activar receptores de glutamato de una manera autocrina y paracrina. La activación de iGluR produce la liberación de glutamato, regula la expresión  de osteocalcina, la actividad de la fosfatasa alcalina y la mineralización. La activación de mGluR inhibe la señal de receptores NMDA en los osteoblastos a través rutas activadas por la fosfolipasa C.

En los osteocitos, la apertura de canales de Ca²⁺ sensibles a voltaje y al estiramiento  en respuesta a la carga mecánica incrementa la concentración intracelular de Ca²⁺ para inducir la liberación de glutamato que regula la diferenciación y actividad de los osteoblastos. Los osteoclastos también pueden ser regulados por el glutamato liberado. La activación de los NMDA estimula la diferenciación de los osteoclastos y la actividad de los osteoclastos maduros. Los osteoclastos maduros por su parte liberan glutamato en conjunción con los productos de degradación ósea, el cual puede ejercer una autorregulación sobre los mGluRs, previniendo mayor liberación de glutamato.

Fuente: Brakspear KS y Mason DJ (2012). Glutamate signaling in bone. Frontiers in Endocrinology 3: artículo 97.