Metabolismo energético en ambientes de alta altitud

La característica que define a un ambiente de alta altitud es la sostenida hipoxia hipobárica. Mientras el porcentaje  de oxigeno en la composición del aire atmosférico es de 21% en todas las altitudes, la presión barométrica  cae en la medida que ascendemos y con ella la PO₂ del aire inspirado, disminuyendo el aporte de oxígeno a los tejidos. La mayor parte de la población del mundo habita en regiones por debajo de los 1000 m de altitud, pero los humanos  tienen una gran capacidad para tolerar la hipoxia. Algunas poblaciones que habitan en zonas de alta altitud  se han adaptado a este ambiente, con características genéticas que revelan la selección natural alrededor de las rutas sensibles a la hipoxia.  Aproximadamente  140 millones de personas  viven en lugares que se encuentran por arriba de los 2500 m y alrededor  de 40 millones viajan  cada año a regiones de alta altitud por razones de trabajo o de placer. Estas personas  experimentan una respuesta fisiológica con el ascenso, la cual está bien documentada e incluye aspectos ventilatorios, cardiovasculares y eritropoyéticos.  Sin embargo, aún con una adecuada  aclimatación, el metabolismo energético es alterado en el corazón y el musculo esquelético. Esto puede indicar una insuficiencia para una compensación  completa o puede formar parte del proceso de aclimatación, pero  involucra cambios en la expresión de genes  y parece ser una respuesta regulada.  Los aspectos positivos  de la aclimatación a la alta altitud, principalmente la disminución de la susceptibilidad a la enfermedad de montaña aguda, contrastan con el fenómeno  del deterioro a la alta altitud, el cual ocurre con la exposición prolongada  a la alta altitud extrema  (>5500 m) y  se caracteriza por letargia, fatiga y debilidad muscular.

La hipoxia no es el único estrés  que se encuentra en la altitud, la temperatura  disminuye al aumentar la elevación mientras la humedad absoluta  es extremadamente baja y la exposición  a la radiación ultravioleta de la luz solar es alta. Los visitantes frecuentemente experimentan molestias gastrointestinales y pérdida del apetito que pueden ser resultado de la hipoxia  o pueden ser exacerbados  por alguna infección.  Adicionalmente, los niveles de actividad a menudo son alterados y disminuyen la capacidad  de ejercicio y la motivación.  A la luz de estos factores,  el ambiente de alta altitud  no es un sitio perfecto en el cual estudiar solamente la respuesta fisiológica a la hipoxia. El estudio de humanos (y animales) en la altitud es una investigación muy valiosa por: (i) al aumentar el número de personas  que visitan las regiones montañosas, es importante entender la respuesta integrada a la altitud, particularmente la variación interindividual  en esta respuesta, la cual no  ha sido completamente explicada en las descripciones clásicas  de la aclimatación.  (ii) El estudio de la fisiología en ambientes extremos  y de los límites de la tolerancia humana es necesario para entender la regulación homeostática. (iii) La exposición sostenida a ambientes extremos  ha sido propuesta como posible análogo de la enfermedad humana. (iv) El experimento natural  de adaptación a la alta altitud  en África Oriental, el Tibet y los Andes ofrece un escenario en el cual estudiar la genética humana y la selección natural. 

En un estudio con  sujetos que regresan del Campamento Base del Everest (5300 m), la relación fosfocreatina/ATP (PCr/ATP)  cardiaca, medida usando espectroscopía NMR, disminuyó 18%, indicando una pérdida de reserva energética. Esta disminución  se acompañó con alteración de la función diastólica y pérdida de masa del ventrículo izquierdo, pero todas las medidas regresaron  a lo normal  después de seis meses a nivel del mar. En otro estudio, la exposición por corto tiempo a hipoxia normobárica (20 h, PO₂ atmosférica 50-60 mmHg), provocó una caída de 15%  de la relación  PCr/ATP y las mediciones ecocardiográficas  indicaron una débil alteración en la función diastólica. Los estudios con ratas en cámaras hipóxicas ayudaron a dilucidar  la respuesta metabólica cardiaca a la hipoxia ambiental sostenida. En esas ratas, la exposición a O₂ 11% por una semana resulta en disminución en el ventrículo izquierdo de la expresión de genes regulada por el factor de transcripción activado por ácidos grasos, PPARα, incluyendo carnitina palmitoil transferasa 1, piruvato deshidrogenasa quinasa 4 y proteína desacopladora 3, lo que sugiere una regulación hacia abajo de la oxidación de ácidos grasos y un incremento en la oxidación de piruvato. Estos hallazgos fueron asociados con disminución en el consumo de O₂ y la síntesis de ATP, pero con el acoplamiento mitocondrial conservado. Después de 12 semanas, la expresión de los genes de la oxidación  de ácidos grasos disminuyó en los dos ventrículos, mientras la expresión de la piruvato deshidrogenasa quinasa 4  aumentó en el ventrículo izquierdo, lo que sugiere  una inhibición de la oxidación de piruvato  con la exposición más sostenida.  En el corazón de ratas hipóxicas, la oxidación de ácidos grasos es regulada hacia abajo con pérdida de la capacidad respiratoria en el ventrículo izquierdo. La oxidación de piruvato también puede ser inhibida, lo cual sugiere un incremento en la glucólisis.

En la exposición prolongada  a la alta altitud extrema, como la experimentada en las expediciones de montañistas  en el Himalaya, ocurre una disminución  de la  densidad de mitocondrias  en los músculos esqueléticos, con mayor magnitud en la población subsarcolemal de mitocondrias. No está claro si esto se debe a la hipoxia o al estrés oxidativo acompañante, pero es notorio que la población subsarcolemal  de mitocondrias  es más susceptible  a los cambios. La respuesta parece ser regulada, con expresión alterada  de genes incluyendo una pérdida de 50% de ARNm del factor de biogénesis mitocondrial, PGC1α, y cambios en los niveles de proteínas de reguladores metabólicos y enzimas. Sin embargo,  tales cambios en la densidad de mitocondrias no se observaron durante la Operación Everest II (una gradual descompresión equivalente a 8840 m en una cámara). Esta simulación tuvo lugar poco tiempo antes del ascenso al Everest,  pero con los sujetos confinados  a una cámara se esperaba una gran pérdida de mitocondrias debido al desentrenamiento. La discrepancia aún no ha sido resuelta.

En altitud moderadamente alta, aún con exposición prologada, no ocurre la disminución  de la densidad de mitocondrias aunque si se producen cambios en la función respiratoria del músculo, los cuales dependen de la extensión de la exposición. En este contexto, un estudio describe una pérdida de la capacidad respiratoria después de 28 días  a 3454 m y ningún cambio  después de 9-11 días a 4559 m. Varios estudios han reportado  la regulación hacia abajo de las enzimas oxidativas de ácidos grasos en músculo esquelético con la exposición prolongada a altitudes entre 4300 y 8848 m. El  reciente descubrimiento de la selección genética sobre el gen PPARA en poblaciones tibetanas sugiere que la alteración en el metabolismo de ácidos grasos  puede ser una característica de la adaptación a largo plazo a la alta altitud, porque el gen codifica al factor de transcripción activado por ácidos grasos  y regulador  de la oxidación de ácidos grasos, PPARα. El significado funcional  de este polimorfismo aún no está claro.

¿Cuáles son los mecanismos  que subyacen  a los cambios en el metabolismo  de corazón y músculo en la altitud? Las rutas de señalización de hipoxia son una posibilidad. Los cambios metabólicos reportados en humanos en la altitud o en el corazón de ratas hipóxicas (inhibición de la piruvato deshidrogenasa y disminución de la respiración mitocondrial) también se han observado en células hipóxicas  en cultivo  y están asociados con estabilización  de la familia de factores de transcripción del  factor  inducible por hipoxia (HIF). En apoyo al mecanismo disparado por el HIF, el metabolismo oxidativo, y por consiguiente la capacidad para ejercicio, aumentaron  en el músculo gastronemio de ratones  con  daño selectivo del HIF-1α de músculo esquelético.  Una posibilidad alternativa a la baja PO₂ del músculo podría ser los efectos mediados por especies reactivas de oxigeno (ROS), porque la producción de ROS aumenta  en la hipoxia. Las ROS han sido descritas como mediadores indiscriminados  de daño de lípidos, proteínas y ADN cuando son generadas en grandes cantidades, pero en concentraciones moderadas juegan un importante rol en la célula y pueden, por ejemplo, producir estabilización  del HIF-1α. Los efectos mediados por ROS, particularmente aquellos  que ocurren  a través de interacciones con el HIF son difíciles de separar  de las respuestas mediadas por hipoxia. La producción transitoria de ROS durante  el entrenamiento, posiblemente  como resultado de la hipoxia aguda debido a las altas tasas  de consumo de O₂ en el músculo, puede  provocar  cambios inducidos por el entrenamiento.  Más aún, la respuesta a la hipoxia puede mediar  algunos aspectos del entrenamiento de resistencia en el músculo.

En conclusión, el metabolismo energético del corazón y el músculo esquelético es alterado en los sujetos en – o que regresan- de la alta altitud extrema (>5500 m). Sin embargo, la hipoxia no es el único estrés fisiológico en la alta altitud, la baja PO₂ es una característica sostenida  aún después de un adecuado tiempo de aclimatación. En el corazón humano, la hipoxia sostenida en alta altitud o la hipoxia normobárica de corta duración resultan en una pérdida de la reserva energética cardiaca, aunque los mecanismos subyacentes probablemente son distintos. La caída en la reserva energética del corazón es indicada por una menor relación fosfocreatina/ATP. En ratas hipóxicas, disminuyen la oxidación de ácidos grasos y la capacidad respiratoria en el corazón, mientras la oxidación de piruvato también baja después de la exposición sostenida a la hipoxia. La duración y el grado de la exposición a la hipoxia son críticos en la respuesta anabólica del músculo esquelético. La respuesta a la hipoxia aguda durante el ejercicio o la hipoxia relativamente débil  en altitudes menores difiere  de la observada  con la hipoxia severa y más sostenida  de una estancia prolongada  en alta altitud. La exposición prolongada a la alta altitud extrema  resulta en  una densidad mitocondrial baja en el músculo esquelético, pero aún en la alta altitud más moderada la capacidad respiratoria puede ser suprimida. La evidencia obtenida en células genéticamente modificadas de ratón y en la población tibetana adaptada a la alta altitud sugiere un posible rol  del factor inducible por hipoxia.

Fuente: Murray AJ (2016). Energy metabolism and the high-altitude environment. Experimental Physiology 101: 23-27.

El rol de los ácidos biliares en la regulación metabólica

Los ácidos biliares (AB) fueron considerados por décadas involucrados solamente en la digestión  de los lípidos en el intestino y la solubilización del colesterol en la bilis. Actualmente, está documentado que los AB tienen efectos en la homeostasis  de la glucosa, los lípidos y otros sustratos metabólicos, también afectan las funciones del sistema inmune y la composición de la microbiota intestinal.  En varios órganos y tejidos, los AB se unen a receptores citoplasmáticos y nucleares y actúan como verdaderas hormonas.

Los AB son moléculas anfifílicas  derivadas del colesterol en los hepatocitos.  El acortamiento de la cadena lateral del colesterol y la hidroxilación  de la molécula en átomos de carbono específicos forman los AB primarios, ácido cólico y ácido quenodesoxicólico, respectivamente. Estos AB primarios, después de su conjugación con glicina o taurina en el hígado, son secretados activamente en la bilis a través de la bomba exportadora de  sales biliares (BSEP). El “pool” de AB es mantenido en el cuerpo humano por la circulación enterohepática, preservando hasta 95% de los AB conjugados. La reabsorción activa de los AB  conjugados ocurre  en el ileum distal  a través de la ASBT, también conocida como ISBT/IBAT/NTCP2. Los AB no conjugados formados después de la hidrólisis  de glicina/taurina por las bacterias intestinales, pueden ser absorbidos por difusión pasiva en el intestino.  Sin embargo, su transporte por esta ruta es menos efectivo. El llamado eje intestino-higado de AB  es regulado por el sensor intracelular de AB, receptor farnesoide X (FXR). En los enterocitos del ileum, el FXR controla la captación de los AB, su tránsito intracelular y la salida por la membrana basolateral  mediada por transportadores de solutos orgánicos α/β (OSTα/β). Simultáneamente, los enterocitos del ileum secretan FGF19, el cual regula hacia abajo la síntesis de AB en los hepatocitos.  Además del FGF19, la síntesis hepática de AB  también es controlada por otro mecanismo dependiente de  FXR, el pequeño socio heterodímero  (SHP), un receptor nuclear orfan  que media la regulación hacia abajo  del gen CYP7A1 que codifica a la 7α hidroxilasa de colesterol, la enzima limitante  en la síntesis de AB a partir de colesterol. Adicionalmente, el SHP sirve como correpresor  de la expresión de genes  a través de la inhibición de  numerosos factores de transcripción  en diversas rutas  metabólicas, proliferativas e inflamatorias.

El rol emergente de los AB en varios procesos metabólicos  es mediado  a través de receptores nucleares y citoplasmáticos. Además del FXR hay también receptor de vitamina D (VDR), receptor androstano constitutivo (CAR), receptor pregnano X (PRX) así como también los receptores citoplasmáticos TGR5, receptores muscarínicos y receptor de esfingosina 1-fosfato 2 (SIPR2).  El FXR, además del rol esencial  en el metabolismo colesterol/AB, también contribuye al metabolismo del triacilglicerol y la glucosa. En efecto, los AB vía activación  del FXR, presente en las células β del páncreas, son capaces  de estimular la producción de insulina. Más aún, el FXR está también involucrado en el control de la homeostasis  de la glucosa a través de su interacción directa con la proteína ligadora del elemento de repuesta a carbohidratos (ChREBP) que actúa como factor de transcripción  de genes glucolíticos. El FXR también es expresado  en órganos cardiovasculares como el corazón, la aorta  y las arterias coronarias. El CAR, originalmente reportado como receptor nuclear regulador de la respuesta a los xenobióticos, es otro receptor nuclear activado por los AB. El CAR es considerado un receptor anti-obesidad que mejora la sensibilidad a la insulina, el metabolismo de los lípidos y la función tiroidea. El PXR está involucrado en la modulación de la inmunidad innata y protege contra los efectos de los xenobióticos en las células vasculares. El TGR5, un miembro de la subfamilia de receptores acoplados a proteína G similares  a rodopsina, es expresado  en las células enteroendocrinas del intestino, la glándula tiroides,  el tejido adiposo marrón, los macrófagos y muchos otros órganos. La evidencia acumulada indica que el TGR5 tiene un rol importante en la homeostasis energética, el metabolismo de la glucosa y la modulación de las funciones inmunes. Adicionalmente, un trabajo reciente demuestra la expresión de TGR5 en las células β del páncreas con un efecto directo sobre la secreción de insulina.  Por otra parte, la estimulación de receptores muscarínicos en las células endoteliales atenúa la ateroesclerosis en modelos animales. Los receptores muscarínicos M3 también son expresados en el tejido adiposo y el páncreas, contribuyendo significativamente a la homeostasis de la glucosa. Los AB también activan al SIPR2 en los hepatocitos, un mecanismo que regula significativamente el metabolismo de lípidos en el hígado.  La esfingosina-1 fosfato, otro ligando natural del SIPR2, también se une a la apolipoproteína M, cuya expresión está bajo la influencia  del FXR y juega un rol importante  en la patogénesis de la ateroesclerosis y la diabetes. El ácido desoxicólico, un AB secundario,  activa al receptor del factor de crecimiento epidermal (EGFR) en los hepatocitos. El EGFR es un factor asociado  con la progresión de la disfunción vascular en la diabetes.

Los AB, además de las acciones mediadas por receptor, también ejercen múltiples funciones a través de mecanismos  que involucran  la activación de canales  de K⁺ activados por Ca²⁺ que regulan el tono arterial y otros efectos menos bien definidos como apoptosis, angiogénesis/neovascularización, metabolismo de NO y/o procesos inflamatorios. Las funciones mediadas por los AB resultan  en la modulación  de múltiples rutas de señalización  incluyendo JNK1/2, ERK1/2 o AKT1/2 con muchas consecuencias bioquímicas, fisiopatológicas y clínicas. Los ácidos biliares modulan la ruta proapoptosis miR-34a/sirtuina 1/p53 en el hígado graso no alcohólico. También modulan la sirtuna 1, una histona desacetilasa, que funciona como importante sensor en la regulación de la homeostasis energética y en la fisiopatología de la diabetes, Adicionalmente, los AB inhiben la desmetilasa de histona 1, una enzima con un importante rol en la adipogénesis y en el desarrollo de la diabetes. Asimismo, los AB están involucrados en la modificación posttranscripcional de la HMG-CoA reductasa, un gen limitante en la biosíntesis del colesterol. Más aún, los AB tienen potentes efectos inmunosupresores. La obesidad está asociada con la inflamación crónica de bajo grado (inflamación metabólica), la cual es un importante   contribuyente  del inicio y progresión del hígado graso no alcohólico, la resistencia a la insulina y la ateroesclerosis.

Los datos publicados recientemente sugieren un importante rol  de la microbiota intestinal en el desarrollo  de la obesidad. Además de la obesidad, la microbiota intestinal también está relacionada con la patogénesis de la diabetes. En la diabetes mellitus tipo 2 se ha detectado un incremento en las bacterias que reducen sulfato y una disminución  en las especies que producen butirato. Las bacterias que reducen sulfato utilizan  taurina para la reducción del sulfuro. Los AB conjugados con taurina están asociados con una dieta tipo occidental en contraste  con los AB conjugados con glicina que predominan en las poblaciones africanas. La dieta occidental induce el “pool” de AB conjugados con taurina, con importantes cambios  en la microbiota intestinal. En este sentido, la expansión de firmicutes  en la microbiota intestinal  está relacionada con el “pool” de AB en el intestino. La relación entre metabolismo de AB y la microbiota intestinal es mutua, las bacterias intestinales no solamente son capaces de metabolizar AB, sino que los AB también tienen una influencia importante en la composición de la microbiota intestinal. Esta influencia  es mediada a través de efectos antimicrobianos directos  sobre los microbios intestinales vía producción  de péptidos antimicrobianos a partir de la activación del FXR en los enterocitos del ileum o por inhibición de la absorción de endotoxinas bacterianas.

Los AB, además de sus funciones metabólicas clásicas en la digestión de los lípidos también pueden ejercer otros efectos en la luz intestinal, los cuales a su vez  afectan la susceptibilidad a la obesidad, el síndrome metabólico y/o la diabetes. Uno de estos mecanismos adicionales puede involucrar la modulación  de la inmunidad innata intestinal. La activación de TLR4 modulada por FXR de las células mieloides  intestinales resulta en efectos antiinflamatorios en modelos animales de colitis. A su vez, la activación de TLR4/9 en monocitos tiene potentes efectos moduladores sobre el FXR. Aunque estos mecanismos  están implicados en enfermedades intestinales inflamatorias, también pueden afectar la homeostasis energética y los riesgos de obesidad  y diabetes, condiciones donde los TLR juegan un importante rol patogénico. Por otra parte, el GLUT4, el principal transportador de glucosa  que responde a la insulina, juega un rol crítico  en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa y  puede ser inducido en hepatocitos y células similares a los adipocitos  por el ácido quenodesoxicólico, un agonista natural del FXR. Los AB también pueden ejercer efectos protectores  independientes de la acción del FXR mediante la supresión de la expresión del gen hepático de ácido graso y triacilglicerol. Sim embargo, no todos los datos recientes  apoyan completamente  el concepto de los efectos beneficiosos de la activación del FXR sobre la homeostasis energética. En modelos de roedores se ha demostrado que la alteración de la microbiota intestinal puede  antagonizar el incremento mediado por FXR en la producción de ácido muricólico conjugado con taurina. 

Los efectos termogénicos de los AB  fueron verificados en un estudio con humanos que reportó una asociación positiva entre las concentraciones venosas de AB y el gasto de energía. Este efecto no se observó en sujetos obesos. EL TGR5 activado por AB  estimula la formación de AMPc  y la activación de la desyodasa tipo 2 (D2), responsable de la conversión  de T₄ a T₃. La D2 media los efectos termogénicos de los AB. Esta observación fue confirmada en un estudio experimental con ácido tauroursodesoxicólico. En este contexto, es importante mencionar el efecto de retroalimentación  de TSH/tiroxina sobre la producción de AB en el hígado y la asociación negativa entre AB y niveles de TSH. Por otra parte, los AB a través del TGR5  promueven directamente la secreción de GLP-1 y GLP-2 en las células neuroendocrinas del intestino.

Diversos estudios experimentales han encontrado una correlación positiva entre los niveles aumentados  de AB después de cirugía bariátrica y mejorías en la homeostasis de la glucosa. La cirugía bariátrica no solo disminuye sustancialmente el peso corporal sino que también mejora marcadamente el metabolismo de la glucosa. Los estudios han demostrado que los procedimientos restrictivos como la banda gástrica no alteran las concentraciones circulantes de AB. Por el contrario, las operaciones malabsortivas como el bypass gástrico  que usualmente son más efectivas para mejorar el metabolismo de la glucosa, incrementan los niveles circulantes de AB. Los niveles plasmáticos de AB también aumentan después de una cirugía de interposición ileal, donde el ileum es reposicionado distal al duodeno. Esta manipulación está asociada con mejoría de los componentes  del síndrome metabólico en ratas con obesidad inducida por dieta.  Más aún, la inserción de un bypass duodeno-yeyuno está asociada con concentraciones aumentadas de AB en modelos experimentales. Esta asociación también ha sido reportada en pacientes con diabetes tipo 2 seis meses después  de la implantación  de un bypass duodeno-yeyuno. Dos estudios experimentales han demostrado  la importancia  de los AB en la mejoría metabólica  después de la cirugía bariátrica a través del desvío experimental  de bilis al intestino distal. Esta manipulación está asociada con aumentos de los niveles de AB en suero y la secreción postprandial de GLP-1 y mejora del metabolismo de la glucosa.

En conclusión, el conocimiento de los efectos de los AB sobre la homeostasis energética y el metabolismo   se ha expandido durante la última década. Los AB tienen importantes efectos endocrinos  a través de múltiples receptores citoplasmáticos y nucleares en varios órganos y tejidos. Ellos afectan múltiples funciones para controlar la homeostasis energética  y el metabolismo de la glucosa y los lípidos, principalmente  a través de la activación  del receptor nuclear FXR y del receptor citoplasmático TGR5, acoplado a proteína G. Los AB también interactúan con la microbiota intestinal, con importantes implicaciones clínicas. El metabolismo de los AB es modulado sustancialmente  por la cirugía bariátrica, un fenómeno que contribuye favorablemente  a los efectos terapéuticos  de este procedimiento quirúrgico.

Fuente: Vitek L y Haluzik M (2016). The role of bile acids in metabolic regulation.  Journal of Endocrinology 228: R85-R96.

Diferencias sexuales en la biología regulada por canabinoides

De los 60 o más compuestos canabinoides que se encuentran en la planta marihuana (cannabis sativa, cannabis indica), el constituyente  psicotrópico primario  es el ∆⁹-tetrahidrocanabinol (THC). EL THC se une a dos receptores acoplados a proteína G, CB1 y CB2, aunque recientemente se ha demostrado  que también   activa al  GPR55, un receptor involucrado en la regulación de la motilidad gastrointestinal, la secreción de insulina y la adiposidad.  El canabidiol (CBD), otro canabinoide relativamente abundante en la cannabis sativa, se une a los receptores CB1 Y CB2 con menor afinidad que el THC y es un antagonista  del receptor GPR55.  Los dos principales canabinoides endógenos, N-araquidonoiletanolamina (anandamida, AEA) y 2-araquidonoil glicerol (2-AG) derivan del ácido araquidónico  y actúan como agonistas  del  receptor CB1. Hay también evidencia  que el t-α-lisofosfatidilinositol actúa como agonista endógeno del receptor GPR55.  Los procesos biológicos regulados por el sistema endocanabinoide son diversos, varían desde la regulación del dolor hasta el balance energético y la inflamación. Una característica notable de la biología regulada por canabinoides es el grado  de disparidad sexual entre varones y hembras.

Los canabinoides exógenos como el THC son metabolizados primariamente en el hígado en ratas machos. El THC es transformado por hidroxilación  en las posiciones 11, 8 y 3 del dibenzopirano, en orden de prevalencia.  EL 11-OH-THC es también el metabolito predominante  en ratas hembras, seguido en menor cantidad  por el ácido THC-11-oico y el 8α, 11-diOH-THC. Adicionalmente, las preparaciones de microsomas hepáticos de ratas hembras  revelaron la existencia de un metabolito con  grupo metilo  oxidado  en la posición 9 conocido como 9α, 10α-epoxihexahidrocanabinol, segundo en abundancia después del 11-OH-THC, pero componente menor del perfil metabólico  del THC en ratas machos. Con respecto a los canabinoides endógenos, las ratas hembras adolescentes, en comparación con su contraparte de ratas machos, exhiben mayores niveles  de  hidrolasa de amida de ácido graso (FAAH) responsable de la degradación de AEA, en la corteza frontal del cerebro y niveles bajos  de la lipasa de monoglicerol (MAGL), responsable de la degradación  de 2-AG, en el cuerpo estriado y la amígdala. Los niveles de estas enzimas son influenciados de una manera sexualmente diferenciada  por eventos disruptores en la vida temprana. Por ejemplo, la privación de cuidado materno incrementa su expresión en la corteza frontal de ratas machos adolescentes, mientras en la contraparte de ratas hembras adolescentes,  aumenta la expresión en el hipocampo.

Los estudios clínicos en humanos  indican que los hombres consumen  cannabis en una tasa más rápida  que las mujeres. Este patrón de consumo resulta en mayores niveles   de THC en hombres que en mujeres. Sin embargo, los efectos psicológicos subjetivos reportados por hombres y mujeres son casi idénticos, lo cual es atribuido a que los hombres tienen un mayor volumen de distribución  que las mujeres. Por otra parte, está demostrado que los hombres son más sensibles a los efectos cardiovasculares  de la inhalación de cannabis (ej: incremento de la frecuencia cardiaca). Un estudio realizado en Francia  reporta que en un período de dos años (2009-2011), más hombres que mujeres fueron atendidos por disturbios mentales y conductuales relacionados con intoxicación con canabinoides. Más aún, en los Estados Unidos,  los hombres usan más la formulación canabinoide sintética K2 que las mujeres. No obstante, las mujeres actualmente exhiben una progresión más rápida hacia desordenes por uso de canabinoides. Más aún, mientras los hombres exhiben mayor estabilidad  en la duración de los episodios de dependencia a través de la vida adulta, las mujeres adquieren más rápidamente un consumo estable. Con relación al estatus endocrino, el estradiol produce efectos conductuales que sugieren una mayor vulnerabilidad a la adicción a  cannabis en ratas hembras, también  reduce la unión al receptor CB1 en la corteza prefrontal y la amígdala, áreas involucradas en las secuelas  fisiopatológicas  de la adicción.

Los agonistas de los receptores  de canabinoides  producen antinocicepción  alterando la neurotransmisión  en los circuitos espinales y supraespinales  que procesan las señales del dolor. Estos agonistas son efectivos y bien tolerados  cuando son usados  para tratar el dolor  de diversas etiologías, Las ratas hembras son más sensibles a esos agonistas que las ratas machos. Esta diferencia sexual  involucra una mayor conversión de THC a metabolitos bioactivos  como el 11-OH-THC en las hembras. Otro factor que contribuye a esta diferencia sexual  es la activación  de receptores CB1 y CB2  en las hembras, mientras en los machos solamente se activan receptores CB1. La mayor respuesta que se observa en las hembras  se extiende al desarrollo de tolerancia antinociceptiva con el tratamiento crónico con THC. La diferencia sexual  en la antinocicepción inducida por canabinoides persiste  después de la gonadectomía, pero también es susceptible a los efectos activacionales  de los esteroides gonadales. Por ejemplo, el estradiol potencia el incremento inducido por THC en la latencia de la  reacción a estímulos mecánicos nocivos. Por otra parte, los niveles de endocanabinoides en la rata hembra fluctúan en el curso del ciclo estral en varias regiones del cerebro (hipotálamo, hipocampo) y la hipófisis, con los mayores cambios alrededor del tiempo de la ovulación. Por el contrario, la ovariectomía aumenta la antinocicepción inducida por canabinoides  en ratones, la cual es  revertida completamente por el tratamiento con estradiol. Esta discrepancia es indicativa  de una diferencia entre las especies de la regulación del dolor por los canabinoides que tiene implicaciones  en cuanto al traslado  de los datos experimentales a los humanos.

La regulación del balance energético por los canabinoides involucra interacciones coordinadas entre el intestino, el hígado, el páncreas, el tejido adiposo y el cerebro. Los canabinoides regulan la motilidad gastrointestinal y en los humanos, el dronabinol reduce el vaciamiento gástrico en mayor  extensión en las  mujeres que en los hombres. En el hipotálamo, hay sustratos neuroanatómicos a través de los cuales los canabinoides pueden actuar sobre el circuito de la alimentación. El circuito de la alimentación  comprende componentes orexigénicos y anorexigénicos en diferentes núcleos del hipotálamo. Los componentes orexigénicos se pueden encontrar en la forma de orexinas y hormona concentradora de melanina (MCH) en el área hipotalámica lateral  así como neuropéptido Y (NPY)/péptido relacionado con el agouti (AgRP) en el núcleo arcuato. Los elementos anorexigénicos incluyen  a las neuronas que contienen factor esteroidogénico  (SF)-1 en el núcleo ventromedial (VMN) y a las neuronas proopiomelanocortina  (POMC) en el núcleo arcuato. La POMC es un péptido precursor  de dos neuropéptidos involucrados en la regulación del balance energético, la hormona estimulante de melanocitos (MSH)-α y la β-endorfina.  La gran mayoría de neuronas POMC co-expresan otro neuropéptido anorexigénico llamado transcripto regulado por anfetamina y cocaína (CART). Todos estos elementos aferentes del circuito de la alimentación  se proyectan a –y hacen contacto sináptico con- neuronas que producen hormona liberadora de corticotropina (CRH) en el núcleo paraventricular (PVN). Esto indica que las neuronas CRH representan  un punto de convergencia e integración importante para la generación  de una respuesta eferente. La administración local  de agonistas del receptor CB1 en el PVN o el VMN incrementa la ingesta de energía. Por otra parte, los niveles de endocanabinoides en el hipotálamo  son influenciados por hormonas periféricas  que regulan el apetito. Por ejemplo, la leptina disminuye las cantidades de AEA y 2-AG, mientras la grelina los incrementa.

La primera demostración  de diferencias sexuales en la regulación del balance energético por los canabinoides  deriva de un estudio  que reporta que la administración  en el cuarto ventrículo  de agonistas del receptor CB1   estimula el consumo de leche condensada azucarada en ratas machos con dosis 10 veces menores  que las administradas a las ratas hembras. Este resultado fue corroborado posteriormente en cobayos. Estos hallazgos fueron asociados  con cambios disparados sexualmente  en el patrón de alimentación, con las ratas machos exhibiendo incrementos  en el tamaño, la frecuencia y la duración de las comidas, y las ratas hembras exhibiendo incrementos solamente en la frecuencia de las comidas. Los canabinoides inhiben la excitabilidad de las neuronas POMC de manera sexualmente diferente en cobayos, aumentan el tono inhibidor sobre las neuronas POMC en mayor extensión en los machos que en las hembras. . Los canabinoides también ejercen efectos presinápticos  sobre los impulsos excitadores e inhibidores en las neuronas POMC, inhiben impulsos glutamatérgicos en machos y hembras, pero inhiben los impulsos GABAérgicos con menor potencia en los machos que en las  hembras. 

Las diferencias sexuales en la regulación del balance energético por los canabinoides persisten  en ausencia de esteroides gonadales y son moduladas por los efectos activacionales de estas hormonas. Tanto los estrógenos como los andrógenos ejercen influencias sobre varios sustratos neuroanatómicos del circuito de la alimentación. Por ejemplo,, el estradiol incrementa la expresión de genes POMC y la secreción de β-endorfina en roedores y primates, al tiempo que disminuye la expresión y secreción de NPY. El estradiol también disminuye rápidamente la inhibición retrograda mediada por endocanabinoides de los impulsos glutamatérgicos  en las neuronas POMC a través de la supresión de la excitación. La disrupción estrogénica de la señal endocanabinoide es mediada por la activación del receptor de estrógenos (ER) y el ER de membrana (mER) acoplado a proteína G. La activación de estos receptores por el estradiol desencadena una cascada  de transducción de señal que involucra a las proteínas  fosfatidilinositol-3-quinasa (PI3K),  proteína quinasa C (PKC), proteína quinasa A (PKA) y sintetasa de óxido nítrico neuronal (nNOS) para alterar el acople  de los receptores CB1 presinápticos con sus sistemas efectores. La PI3K es una molécula de señalización  que es activada por la estimulación de ERα, ERβ y por otras hormonas anorexigénicas como la leptina  y la insulina.  En las neuronas POMC de roedores, la PI3K juega un rol importante en la regulación del apetito mediada por ERα y  en la sensibilidad a la insulina.  PKC y PKA están involucradas en el desacoplamiento  mediado por mER de otros receptores metabotrópicos como μ-opiode y GABA_B en las neuronas POMC. Por su parte, la nNOS es una molécula de señalización que es activada por la leptina y es responsable, al menos en parte, de los efectos del adipostato sobre la homeostasis energética. 

La testosterona produce hiperfagia, un efecto que es bloqueado por antagonistas del receptor CB1,  Este efecto puede ser atribuido  a un incremento inducido por testosterona en los impulsos GABAérgicos en las neuronas POMC, así como una potenciación  de la inhibición retrograda mediada por endocanabinoides de los impulsos glutamatérgicos. En el núcleo arcuato,  la testosterona incrementa  la fosforilación de la quinasa activada por AMP (AMPK), una molécula de señalización en la regulación androgénica  de la inhibición retrógrada mediada por endocanabinoides. La AMPK es un sensor de energía celular cuya actividad es incrementada por la fosforilación del residuo treonina  en la posición 172 de la subunidad catalítica α que ocurre en respuesta al incremento del calcio intracelular y de la relación AMP/ATP. Esto, a su vez, provoca un incremento en el tono endocanabinoide por aumento de la síntesis, inhibición de la degradación  o disminución de la recaptación y la  remoción  de la hendidura sináptica. Como resultado  se disparan procesos bioquímicos y conductuales que producen un incremento en la producción de ATP. La actividad de la AMPK en el hipotálamo es estimulada por hormonas orexigénicas como la grelina e inhibida por hormonas anorexigénicas como la leptina.  Entonces, la testosterona, en virtud  de la activación de la AMPK en el circuito de la alimentación, incrementa el consumo de  sustratos energéticos en el organismo.

Hay diferencias entre las especies  con respecto a la regulación por endocanabinoides del balance energético disparada sexualmente. El estradiol modula negativamente la función de receptores metabotrópicos acoplados a proteína G en cobayos, ratas y ratones.  Sin embargo, hay una gran variabilidad en cómo los endocanabinoides  influyen en la excitabilidad de las neuronas POMC para provocar cambios en la ingesta de energía en ratones. Por ejemplo, agonistas del receptor canabinoide   administrados exógenamente inhiben presinápticamente la descarga glutamatérgica en las neuronas POMC pero no la inhibición retrograda. Por otra parte, en ratones POMC-cre, la activación del receptor CB1 excita directamente las neuronas POMC y estimula la expresión de proteasas que incrementan la producción de β-endorfinas  durante procesos posttranslacionales.  Entonces, no solamente hay diferencias entre las especies en la regulación del balance energético por los endocanabinoides, sino que también hay diferencias entre las líneas de ratones transgénicos.  Los efectos moduladores negativos del estradiol  sobre la regulación por canabinoides de la homeostasis energética  sugieren que la sensibilidad a los canabinoides fluctúa durante el ciclo reproductivo. En efecto,  la respuesta canabinoide es más baja durante las fases folicular y preovulatoria del ciclo reproductivo dominadas por el estradiol. Asimismo, es posible que en los  estados hipoestrogénicos acompañados por amenorrea primaria (ej: anorexia nervosa) o amenorrea secundaria (ej: menopausia) la señal mediada por el receptor CB1 podría ocurrir en la mayor extensión posible.

El balance energético está inexorablemente relacionado con el estatus reproductivo. Por lo tanto, no es sorprendente que existan diferencias sexuales en la manera cómo los canabinoides afectan la conducta reproductiva.  Por ejemplo, las mujeres incrementan su deseo sexual después de consumir cantidades bajas o moderadas  de cannabis, mientras los hombres experimentan decrementos en el rendimiento sexual debido a la supresión  del eje reproductivo  y disfunción eréctil. Estos hallazgos se corresponden con los resultados de los estudios con animales, en los cuales el THC facilita la receptividad sexual  en ratas ovariectomizadas tratadas con estradiol, mientras disminuye la conducta copulatoria  y bloquea la descarga de catecolaminas asociada  en el hipotálamo mediobasal de ratas machos.

En conclusión,  a partir de las investigaciones de los últimos veinte años está claro que hay diferencias sexuales en la biología regulada por canabinoides. La evidencia acumulada demuestra que estas diferencias sexuales persisten en ausencia de esteroides gonadales  y son moduladas por los efectos activacionales agudos  de estas hormonas. Las diferencias sexuales  en el abuso de canabinoides, la antinocicepción inducida por canabinoides, la influencia de los esteroides gonadales en regulación por canabinoides del circuito de la alimentación y cómo esto impacta los cambios inducidos por canabinoides en el balance energético   han sido documentadas  en humanos y modelos animales.

Fuente: Wagner EJ (2016). Sex differences in cannabinoid-regulated biology: a focus on energy homeostasis. Frontiers in Neuroendocrinology 40: 101-109.

Roles de FGF en el desarrollo del folículo ovárico

El desarrollo del folículo ovárico de prenatal a preovulatorio es altamente complejo e involucra  múltiples rutas de señalización endocrinas y paracrinas. Las gonadotropinas  hipofisarias son los principales disparadores del desarrollo de los folículos  ováricos, pero varias familias  de factores de crecimiento también tienen roles importantes, incluyendo factores de crecimiento de fibroblasto (FGF).  En los mamíferos, la familia FGF  consiste de 18 proteínas secretadas (y cuatro proteínas intracelulares llamados factores homólogos  de FGF) agrupados en subfamilias  de acuerdo  a su secuencia homóloga y filogenia y los miembros de la misma subfamilia tienen similares propiedades de unión al receptor. En el folículo ovárico, las células tecales son  mesenquimales  y las células granulosas son epiteliales, por lo tanto los FGF paracrinos  pueden tener un rol  en el desarrollo del folículo. Hay evidencia que el FGF2 actúa sobre las células granulosas para promover la proliferación celular y disminuir la apoptosis y la esteroidogénesis.  Otros FGF han sido implicados  en la función del ovario y el desarrollo de los folículos. La expresión de algunos miembros de la familia FGF en el ovario es  específica para un tipo de célula; por ejemplo, el FGF7 es expresado en células tecales pero no en células granulosas  u oocitos.

La mayoría de los FGF  son factores paracrinos, aunque la subfamilia FGF19 (FGF19, FGF21 y FGF23)  son factores endocrinos con roles en la homeostasis del colesterol, la vitamina D y el fosfato. La mayor parte  de las proteínas  FGF poseen un péptido señal  y son secretadas a través  de la convencional ruta  retículo endoplásmico-Golgi,  aunque el FGF1 y el FGF2 son secretados  a través de una ruta que involucra la translocación  a la membrana celular  y la unión a proteoglucanos  de la superficie celular. Los receptores de los FGF (FGFR) son de la clase de receptores  tirosina quinasa que derivan de cuatro genes principales,  FGFR1, FGFR2, FGFR3 y FGFR4.  Eventos de “splicing” alternativo resultan en dos variantes de FGFR1, FGFR2 y FGFR3 comúnmente llamadas formas “b” y “c”. Estas variantes tienen  propiedades de unión al ligando marcadamente diferentes. Por ejemplo, los miembros de la familia FGF7  (FGF3, FGF7, FGF10 y FGF22) activan la forma “b”  -pero no la forma “c”- de FGFR1 y FGFR2, mientras otros FGF activan la forma “c”. En general, las forma “b”  de las proteínas FGFR son expresadas en tejidos epiteliales y las formas “c” son expresadas en células mesenquimales.

La actividad biológica de los FGF depende de sus interacciones con la matriz extracelular (MEC). Para activar sus receptores (FGFR), los FGF paracrinos necesitan  unirse a heparan sulfato (HS), el cual  es un polisacárido sulfatado lineal  presente en la MEC y en la superficie celular donde está unido a  proteínas solubles (ej: perlecan) o proteínas de membrana (ej: sindecan, glipican) colectivamente conocidas como HS proteoglucanos (HSPG). FGF y FGFR  se unen a HS, lo cual incrementa la afinidad de unión del receptor  y estabiliza el complejo FGF-FGFR. Los FGF paracrinos son inactivos cuando se aplican a líneas celulares deficientes en HSPG y la adición de heparina o su HS restaura la actividad biológica de los FGF. La señal mesenquimal-epitelial de los FGF es más evidente  en órganos en desarrollo.  En una extremidad en desarrollo, el FGF10 secretado por el mesénquima activa FGFR2b en el borde ectodérmico apical,  una etapa temprana critica en la formación de la yema de la extremidad. En el desarrollo del pulmón de ratón, la activación del FGR2b epitelial  por el FGF10 mesenquimal  epitelial  es esencial para la ramificación  de las vías áreas  y la activación del FGFR2c por el  FGF18  mesenquimal es esencial para el desarrollo alveolar. Un nivel adicional de control  de los órganos en desarrollo  es ejercido por las diferencias  en la actividad biológica  de los miembros de la misma subfamilia de FGF. Por ejemplo, el FGF7 induce la ramificación  de las yemas de la extremidad mientras el FGF10 induce la elongación de las yemas. Otro ejemplo, el FGF18 estimula la expansión en el cerebro medio embrionario mientras el  FGF8 estimula la diferenciación  del cerebro medio en cerebelo.

A diferencia de los pulmones y las extremidades que se desarrollan una sola vez, el ovario postnatal de los mamíferos es un sitio de constante desarrollo  de folículos a partir del “pool” de folículos primordiales. Estos folículos consisten de un oocito inmaduro rodeado por una capa simple de células epiteliales escamosas “pre-granulosas”. Para convertirse en folículos en crecimiento, las células pre-granulosas escamosas  necesitan desarrollarse en células granulosas cuboidales  y proliferar, al tiempo que el folículo adquiere una capa de células tecales. En la medida que se forma el antro, las capas de células epiteliales y mesenquimales  proliferan  y esto en parte es regulado por la comunicación mesenquimal-epitelial. Ciertas características de la señal de las subfamilias FGF7 y FGF8 en el folículo preantral se asemejan a las que ocurren en el pulmón y las extremidades. Sin embargo, hay muy pocos estudios de estos FGF en folículos preantrales. Hay mucha más información  acerca del rol  de los FGF en la señal mesenquimal-epitelial  en los folículos antrales. El FGF10 es expresado predominantemente en células tecales y el FGFR2b es detectado predominantemente en células granulosas. El FGF18 es también detectado  en células tecales aunque la expresión de FGFR2c y FGFR3c es detectable en células granulosas y tecales. 

El FGF10 ha sido descrito en el folículo antral y tiene un patrón de expresión diferente al de FGF7. Mientras el FGF7  está restringido a la capa tecal, el FGF10 ha sido identificado en células tecales y oocito.  Es interesante destacar que ambas proteínas han sido detectadas en folículos preantrales, los cuales no contienen células tecales, lo  que sugiere que puede ocurrir un “switch” en la localización  una vez que los folículos  se vuelven antrales. Más aún, mientras los niveles de FGF7 no son alterados en folículos sanos, los niveles de FGF10 son significativamente mayores en células tecales de folículos menos estrogénicos (atrésicos) que en folículos altamente estrogénicos. Por otra parte, la adición de FGF10  a células granulosas inhibe la secreción de esteroides y la inyección de FGF10 directamente  en el folículo en crecimiento causa la regresión  del folículo.  La presencia de FGF10  en el oocito ha dado lugar  a varios estudios sobre su rol   en la función  de las células del cúmulus  y la maduración del oocito.  La adición de FGF10 exógeno  a complejos cumulus-oocito de bovino  durante la maduración in vitro  incrementa la expansión del cúmulus  y la tasa de desarrollo  del blastocisto. Adicionalmente, se ha demostrado que el FGF10 exógeno estimula la captación de glucosa y disminuye el nivel de apoptosis  en los oocitos durante la maduración in vitro.  Se desconoce si el FGF7 tiene el mismo efecto.  Los efectos de FGF7 y FGF10  sobre el crecimiento in vitro de folículos preantrales han sido explorado por varios laboratorios.  En ratas, el FGF7  estimula el desarrollo  de folículos primarios mientras el FGF10  estimula el desarrollo de folículos primarios  en cabras. Muy poco se conoce acerca del rol  de los otros  miembros  de la familia FGF7 (FGF3 y FGF22) en el ovario.

La familia FGF8 incluye  FGF17 y FGF18  además del prototipo FGF8 y han sido detectados en oocitos, células tecales y células granulosas. Los principales receptores  de estos FGF han sido localizados en células granulosas y tecales.  En el ovario de ratón, el FGF8  inhibe la secreción de estradiol en las células granulosas pero no tiene efecto sobre la secreción de progesterona. El efecto de FGF17 y FGF18 sobre las células granulosas ha sido explorado en  ovario de gata, ambos FGF inhiben la secreción de estradiol y progesterona.  Las acciones pro-apoptosis  de los FGF son raras, pero el FGF18 es considerado un factor pro-apoptosis. Varios estudios sugieren que el FGF18 activa una ruta apoptótica a través del FGFR3c en células granulosas y otros tipos de células.

Las rutas intracelulares usadas por los FGF han sido estudiadas en una variedad  de líneas celulares. La unión del ligando provoca la activación del FGFR, el cual una vez activado se dimeriza  y el cambio conformacional  en la estructura del receptor  causa la autofosforilación  de residuos tirosina específicos. En estas condiciones se activan principalmente dos rutas de señalización: la fosforilación de MAPK vía fosfolipasa C y la activación de la fosfatilinositol-3-quinasa que a su vez activa las rutas Akt y proteína quinasa C (PKC). Esto resulta en la expresión  de genes de respuesta inmediata  como la familia Sprouty (SPRY) de reguladores negativos de receptores tirosina quinasa, el receptor nuclear orfan 4A y la familia ETS de factores de transcripción. Estas rutas de señalización son activas en células granulosas, principalmente cuando el ligando  es el FGF2. En las células granulosas de rata, el FGF2 estimula  la señal de calcio  a través de una ruta  dependiente de la PKC y en células granulosas de bovino, el FGF2  estimula la fosforilación  de MAPK3/1 y Akt. En células granulosas humanas, el FGF2 pero no el FGF4 o el FGF10, incrementa los niveles de SPRY2, mientras en células granulosas de bovino, FGF2 y FGF4 estimulan los niveles de SPRY2. Varios estudios han demostrado  que el FGF8 estimula la fosforilación  de MAPK3/1 y los niveles de SPRY2 en células granulosas/cúmulus de  humano, rata y ratón. En una comparación  de las rutas de señalización de FGF8 y FGF18 en células granulosas de bovino se demostró  que el FGF8  activa las típicas respuestas  FGF incluyendo  la fosforilación  de MAPK3/1 y la rápida y transitoria expresión de SPRY2, mientras el FGF18 no altera ninguna  de estas rutas. Sin embargo, la diferencia más interesante  entre ambos FGF es la estimulación por FGF8 –y la marcada inhibición por FGF18- de la expresión del gen GADD45B. La disminución de la expresión  de GADD45B ha sido relacionada con incremento de la apoptosis en varios tipos de células y puede ser parte del mecanismo  usado por el FGF18 para incrementar la apoptosis  en las células granulosas.

La evidencia acumulada sugiere potenciales roles para miembros de las familias FGF7 y FGF8 en el crecimiento y desarrollo  de folículos preantrales/antrales y que algunos FGF de la misma subfamilia que activan a los mismos receptores tiene efectos biológicos marcadamente diferentes sobre sus células blanco. Tales diferencias entre FGF relacionados  han sido descritas durante el desarrollo embrionario y entre ellas destacan las diferencias reportadas entre FGF7 y FGF10 y entre FGF8 y FGF10.  La morfogénesis de la ramificación se refiere al crecimiento y ramificación  de estructuras tubulares en tejidos como el pulmón, el riñón y las glándulas salivares.  En estos tejidos,  FGF7 y  FGF10 juegan roles distintos; el FGF7 induce la expansión  o ramificación  de yemas epiteliales mientras el FGf10 induce la elongación de las yemas. Por la subfamilia FGF8, el FGF18 estimula la expansión  en el cerebro medio embrionario, mientras el FGF8 transforma el cerebro medio en cerebelo. La literatura actual sugiere que estas  distintas actividades biológicas pueden ser dirigidas por (i) señales intracelulares diferentes y/o (ii) interacciones entre los FGF, los FGFR y  los HSPG.

El ARN mensajero que codifica al FGF8 -pero no al FGF18- por “splicing” alternativo genera proteínas  con diferentes N-terminal. Estos eventos  resultan en una forma corta (FGF8a) y una forma larga (FGF8b) entre otras y el FGF8b recombinante  ha sido usado en estudios del ovario. FGF8a y FGF8b  difieren en su actividad biológica, el FGF8a induce la expansión del cerebro medio embrionario (de manera similar al FGF18), mientras el FGF8b  transforma el cerebro medio embrionario en cerebelo. El FGF8b  provoca una fuerte activación  de MAPK3/1 en el cerebro medio, mientras FGF8a resulta  en un nivel menor de fosforilación  de MAPK3/1. Los datos de los estudios con células granulosas bovinas  demuestran que el FGF8b resulta en una fuerte y transitoria fosforilación de MAPK3/1 mientras la adición  de FGF18 provoca una respuesta débil. La diferencia  en las actividades  de FGF8a y FGF8b han sido atribuidas a un residuo fenilalanina (F32) presente en el N-terminal  de FGF8b que permite una fuerte unión con el receptor. F32 está ausente  en el FGF8a  lo que da lugar a un débil complejo  de unión con el receptor. Sin embargo, esto no es una explicación satisfactoria  de la diferencia entre FGF8a y FGF8b pues el FGF18 contiene el residuo F32 presente en el FGF8b. Es sabido que las dicotomías débil vs fuerte y transitoria  vs sostenida activación de MAPK3/1 permiten respuestas celulares distintas, dirigiendo las células hacia proliferación o apoptosis  de una manera específica de contexto celular. Esto puede explicar en parte las respuestas diferentes  de las células granulosas a las acciones de FGF8b y FGF18.  

FGF10 y FGF7 se unen  a HSPG y el HS altera selectivamente  la actividad biológica de FGF7/FGF10. Estos FGF tienen diferente afinidad de unión a la MEC, el FGF7 -pero no el FGF10- difunde rápidamente   a través de la MEC. La adición de heparina a los cultivos de células inhibe la actividad mitogénica de FGF7 pero estimula la de FGF10.  El HS también es esencial para la subfamilia FGF8, la adición de FGF8 a células deficientes en HS no estimula la proliferación celular o la fosforilación de MAPK3/1, mientras con el co-tratamiento con heparina estas actividades son evidentes. Sin embargo, la presencia o ausencia de HS no es la historia completa, el tipo de cadena  HS también puede alterar la actividad biológica de los FGF. Por ejemplo, el perlecan derivado de células endoteliales estimula la proliferación inducida por FGF18 en mayor grado que el perlecan derivado de condrocitos. El tipo de HS también altera  la capacidad de un FGF para activar a un receptor específico, las cadenas sacáridas cortas son suficientes para permitir al FGF1 activar al FGFR2b, mientras las cadenas sacáridas largas  son requeridas para la activación del FGFR2b por FGF7. ¿Cómo impacta esto la señal  FGF en el folículo? Los folículos antrales contienen numerosos proteoglucanos y las células granulosas  producen HSPG. Las celulas tecales están separadas de las granulosas por una membrana basal que contiene perlecan y otros componentes, el nivel de estos componentes cambia con el crecimiento del folículo. Adicionalmente, una forma particular de MEC (focimatriz) que contiene perlecan  ocurre como agregado en la capa de células granulosas. Los niveles de perlecan cambian durante el desarrollo del folículo y los niveles de HSPG en la focimatriz de la capa de células granulosas son significativamente mayores  en folículos atrésicos en comparación con folículos sanos.  Más aún, el SHPG del folículo es sulfatado y, al menos en la vaca, la cantidad de sacáridos derivados de HS cambia durante el desarrollo del folículo y la atresia.  Los agregados de focimatriz pueden jugar un rol  en la regulación de la bioactividad de FGF10  o FGF18 en la capa de células granulosas y los cambios  en la sulfatación de perlecan durante el crecimiento/atresia del folículo puede disminuir o aumentar las potenciales acciones pro-apoptosis del FGF18.

En conclusión, la señal FGF en los tejidos en desarrollo es altamente regulada en múltiples niveles: transcripción de genes, splicing alternativo, activación de distintas rutas intracelulares y la presencia de patrones de sulfatación específicos en las proteínas de la MEC. En el ovario, FGF7 y FGF10 pueden tener efectos diferentes sobre las células granulosas en comparación con el FGF18. Aunque FGF7 y FGF10 se unen al mismo receptor FGFR2b, tienen diferente afinidad por HS lo que causa  una divergencia de los eventos de fosforilación del receptor  entre estos dos ligandos.  Las diferencias en los efectos biológicos  de FGF8 y FGF18  sobre las células granulosas  pueden estar relacionadas con la naturaleza de la sulfatación de los HSPG.

Fuente: Price CA (2016). Mechanisms of fibroblast growth factor signaling in the ovarian follicle. Journal of Endocrinology 228: R31-R43.

Regulación de la producción hepática de glucosa mediada por insulina

El hígado juega un rol central en el mantenimiento  de la homeostasis de la glucosa, ajustando la producción  de acuerdo al balance energético. El regulador principal de la producción hepática de glucosa (PHG) es la insulina. El hígado está expuesto a la sangre de la circulación porta que tiene concentraciones de insulina  aproximadamente tres veces mayores que  la sangre venosa. La PHG es controlada por las acciones directas de la insulina sobre los hepatocitos, cuando la insulina se une a su receptor suprime la PHG a través de la activación de la ruta de transducción de señal fosfoinositido 3-quinasa (PI3K), la cual consiste en las siguientes proteínas: sustrato de receptor de insulina (IRS), PI3K, quinasa dependiente  de fosfoinositido 1 (PDK1) y Akt. Los ratones “knockout” de receptor de insulina en el hígado o con alteración de la ruta PI3K exhiben hiperinsulinemia e intolerancia a la glucosa con alteración de la supresión de la PHG dependiente  de insulina.  Sin embargo, la insulina controla la PHG no solamente por mecanismos directos vía receptores hepáticos de insulina, sino también por mecanismos indirectos mediados por la acción de la insulina sobre otros órganos. En una investigación de los cambios en la PHG después de la administración  intravenosa e intraportal de insulina, se demostró  que las diferencias  en el nivel de insulina en la sangre portal, es decir, la acción directa de la insulina sobre los hepatocitos, no necesariamente se correlacionan  con el efecto de la insulina sobre la supresión de la PHG.

La supresión indirecta  de la PHG por la insulina involucra la reducción  de la liberación por el tejido adiposo de glicerol y ácidos grasos libres, los cuales son sustratos y fuente de energía de la gluconeogénesis, y la disminución en la expresión de genes gluconeogénicos, incluyendo fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) y glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa). Sin embargo, la supresión de la expresión de enzimas gluconeogénicas en ratones con deficiencia de la señal insulina en el hígado no puede ser explicada  por el efecto de la insulina en el tejido adiposo. Por otra parte, la insulina reduce en las células α del páncreas la secreción  de glucagón, el cual induce la expresión de enzimas gluconeogénicas en el hígado. Un estudio que comparó los efectos de la hiperinsulinemia portal y periférica sobre la PHG bajo administración continua de glucagón, reveló que la PHG es suprimida por el efecto indirecto de la insulina, aún en presencia de glucagón. Estos hallazgos sugieren la posibilidad que  efectos de la insulina  distintos a los que lleva  a cabo en el tejido adiposo y las células α del páncreas, controlen la PHG. En efecto, un estudio reciente demostró  que la acción central de la insulina reduce  indirectamente la PHG en roedores.

La acción central de la insulina  juega roles importantes en la regulación del balance energético y el metabolismo de la glucosa. Los estudios en monos y ratas han revelado que la administración intracerebroventricular (icv) de insulina disminuye la ingesta de alimentos  y el peso corporal. Este efecto de la insulina es revertido por la administración icv de un inhibidor de la PI3K. Adicionalmente, ratones “knockout” en receptor de insulina en las neuronas cerebrales (ratones NIRKO) exhiben  aumentos significativos en la ingesta de alimentos, la masa de tejido adiposo y el peso corporal. Por otra parte, la administración de insulina directamente en el hipotálamo atenúa la PHG y disminuye los valores  de la glucosa sanguínea. La insulina actúa en el núcleo arcuato del hipotálamo que contiene neuronas AgRP (agouti-related peptide), las cuales secretan factores que promueven la ingesta de alimentos (NPY y AgRP), y neuronas POMC (proopiomelanocortina) que secretan factores que suprimen la ingesta de alimentos como la hormona estimulante de melanocitos-α (α-MSH). La administración icv de insulina  atenúa la expresión de NPY, mientras incrementa la expresión de POMC, el precursor de α-MSH. La insulina hiperpolariza e inactiva neuronas AgRP a través de la apertura de canales  de potasio sensibles a ATP (K_ATP) de una manera dependiente de PI3K. La administración icv de un inhibidor de la PI3K  atenúa los efectos mediados por la insulina sobre la glucemia y la PHG en ratas. Esto sugiere que la acción central de la insulina controla la PHG a través de un mecanismo dependiente de PI3K que afecta el metabolismo de glucosa en todo el organismo.

La acción de la insulina sobre las neuronas AgRP juega un rol importante en la supresión de la PHG mediada por la acción central de la insulina. La PHG está aumentada  en ratones KO de receptor de insulina en las neuronas AgRP y la restauración  del  receptor de insulina en esas neuronas recupera la PHG. Hasta el presente no se ha dilucidado completamente el rol de las neuronas POMC en la regulación de la PHG mediada por la acción central de la insulina.   Sin embargo, algunos estudios reportan que en condiciones de carencia de receptor de leptina, la acción de la insulina sobre las neuronas POMC  es importante para la supresión de la PHG. La hiperpolarización  de neuronas AgRP debida a la activación de canales K_ATP dependiente  de PI3K  es un mecanismo importante  de la supresión de la PHG mediada por la acción de la insulina en el hipotálamo.

La acción central de la insulina controla la PHG a través del nervio vago. Las fibras eferentes vagales comienzan en el núcleo motor dorsal  del vago (DMV) en la médula oblongata, descienden a lo largo  del esófago y se ramifican en el hígado justamente debajo del diafragma. Es bien conocido que el nervio vago  mantiene una constante actividad  similar  a marcapaso y un estudio electrofisiológico en ratas bajo anestesia con pentobarbital demostró que la actividad del nervio vago es aumentada por un incremento en la glucosa sanguínea  y disminuida por un incremento  en la concentración plasmática  de insulina. Sin embargo, la pregunta  de cómo la acción central de la insulina  controla la actividad del nervio vago  a través de las neuronas hipotalámicas  y suprime la PHG se mantiene sin respuesta. La PHG también es suprimida por la administración icv de α-MSH, agonista de receptores melanocortina, que causa hiperpolarización  de las neuronas del DMV. El diazoxide,  el cual activa canales K_ATP e induce hiperpolarización  de neuronas, también suprime la PHG cuando es administrado directamente en el DMV. Estos hallazgos sugieren que la supresión de la PHG podría ser inducida por la inactivación del nervio vago.

Las fibras eferentes del nervio vago hacen sinapsis con neuronas postganglionares  en los ganglios parasimpáticos de la región portal hepática y se distribuyen en el área periportal donde tiene lugar la gluconeogénesis  en los lóbulos hepáticos. Además de regular la PHG, el nervio vago está involucrado en el metabolismo hepático de la glucosa. En este contexto, la evidencia acumulada  incluye resistencia a la insulina  en ratas después de vagotomía, aumento de la actividad de la glucógeno sintetasa debido a estimulación vagal  en conejos e incremento  de la utilización de la glucosa en hígado de rata perfundido causada por estimulación vagal en presencia de insulina. No obstante, el mecanismo por el cual el nervio vago regula el metabolismo  de la glucosa en los hepatocitos es aún desconocido. Varios estudios reportan que la vagotomía induce resistencia a la insulina en ratas y que esta resistencia es atenuada por la administración intraportal de acetilcolina.  Sin embargo, aunque los hepatocitos expresan receptores muscarínicos M3, los ratones M3 KO o con sobre expresión  de M3 no tienen fenotipos  con alguna alteración metabólica clara, incluyendo  alteración  en la expresión  de las enzimas gluconeogénicas hepáticas. Esto demuestra  que el control de la PHG mediado por la acción central de la insulina no puede ser explicado por la acción directa de la acetilcolina liberada por el nervio vago en los hepatocitos.

Estudios recientes sugieren que la supresión de la PHG mediada por insulina administrada icv es causada por la atenuación  de la expresión  de las enzimas gluconeogénicas como la PEPCK y la G6Pasa. En este contexto, la proteína  transductor de señal y activador de la transcripción 3 (STAT3) juega un rol  importante  como molécula efectora del control de la expresión de genes de las enzimas gluconeogénicas  mediada por la acción central de la insulina. La proteína STAT3 es un factor de transcripción  activado por ligando  y es bien  conocido que la familia de citoquinas  de la interleuquina 6 (IL-6) es su principal ligando. La sobre expresión de STAT3 en el hígado  reduce la expresión de genes PEPCK y G6Pasa y  disminuye los niveles sanguíneos de glucosa. El STAT3 activado se une directamente  a la región promotora para suprimir la expresión de los genes PEPCK y G6Pasa. Más aún, ratones con deficiencia  de STAT3 específicamente en el hígado desarrollan resistencia a la insulina debido al incremento en la expresión de enzimas gluconeogénicas y  de la PHG, lo cual sugiere un rol importante de la STAT3  en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa. La STAT3 y la acción directa de la insulina sobre el hígado mediada por PI3K tienen un efecto aditivo en la supresión de la PHG.

La STAT3 es activada  en el hígado después de la administración icv de insulina  y diazoxide. Por otra parte, la activación de STAT3  en el hígado después de una prueba de tolerancia a la glucosa es atenuada  en ratones NIRKO. Estos hallazgos  demuestran que la acción central de la insulina  induce la activación de STAT3 en el hígado.  En este sentido, se ha propuesto  que la acción central de la insulina aumenta la secreción de IL-6 por las células de Kupffer, la cual actúa sobre los hepatocitos de una manera paracrina para activar a la STAT3. Los ratones con deficiencia de IL-6 desarrollan obesidad y resistencia a la insulina.

La importancia y los mecanismos de regulación de la gluconeogénesis hepática  mediados por la acción central de la insulina han sido dilucidados en estudios  en roedores. Sin embargo, se ha reportado en estudios con perros   que mientras la insulina icv activa a la STAT3 hepática y suprime los genes de enzimas gluconeogénicas, su PHG  no es reducida. Estos resultados indican que mientras el mecanismo mediado por la acción central  de la insulina  que controla la expresión  de las enzimas gluconeogénicas en el hígado es preservado a través de las especies, su importancia en el metabolismo  del organismo entero difiere grandemente entre las especies.

En humanos, es posible incrementar los valores de insulina en el líquido cerebroespinal  sin alterar sus valores en sangre periférica  a través de la administración intranasal de  40 UI  de insulina en individuos sanos. Este procedimiento  disminuye la PHG bajo condiciones de “clamp” pancreático, el cual mantiene un nivel plasmático estacionario  de insulina y glucagón por la administración de somatostatina. También, en condiciones de “clamp” pancreático humano, la PHG es suprimida por la administración oral de diazoxide (el cual pasa la barrera hematoencefálica e induce la supresión de la PHG en roedores).  Por otra parte, la administración intranasal de una dosis alta de insulina (160 UI) aumenta la sensibilidad a la insulina. Sin embargo, los efectos sobre la PHG de la insulina intranasal y el diazoxide oral se observaron en individuos sanos y no necesariamente son reproducibles  en la diabetes mellitus tipo 2 acompañada por obesidad. En condiciones de obesidad y esteatosis  hepática, la activación de STAT3  es alterada  y esto podría contribuir  a disturbios de la supresión  de PHG mediada por la acción central de la insulina. En estas condiciones, en el hígado disminuye la acetilación de STAT3, necesaria para su activación, lo cual provoca alteraciones en su activación.

En conclusión, la insulina controla la PHG directa  e indirectamente a través  del receptor de insulina en los hepatocitos y la acción central de la hormona, respectivamente.  La insulina actúa en el núcleo arcuato del hipotálamo, activa canales K_ATP de una manera dependiente de PI3K e induce hiperpolarización  de las neuronas hipotalámicas. La acción central de la insulina activa la señal IL-6/STAT3 en el hígado  a través del nervio vago y las células de Kupffer.  La STAT3 activada suprime la expresión de  genes de enzimas gluconeogénicas y, por consiguiente, reduce la PHG. Nutrientes como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos (prolina, leucina, histidina, etc) actúan en el hipotálamo conjuntamente  con la insulina, afectando la PHG. Por otra parte, el control de la PHG por la acción central de la insulina falla en la obesidad debido a disturbios  en la señal PI3K en el hipotálamo  o por inhibición de la señal STAT3 en el hígado. Aunque el mecanismo  de control de la expresión de genes de enzimas gluconeogénicas  por la acción central de la insulina  es conservado  a través de las especies, su importancia en el metabolismo  de la glucosa en humanos  no está completamente claro.

Fuente: Inoue H (2016). Central insulin-mediated regulation of hepatic glucose production.  Endocrine Journal 63: 1-7.

Receptores GR y MR en el corazón

Los corticoesteroides (glucocorticoides (GC) y mineralocorticoides) son hormonas esteroides sintetizadas en la corteza adrenal. Los mineralocorticoides  (principalmente aldosterona) regulan el balance de electrolitos y agua.  Los GC (predominantemente cortisol en los humanos) influyen  en muchos procesos fisiológicos, incluyendo desarrollo, inmunidad, inflamación y la respuesta al estrés.  Los corticoesteroides ejercen la mayoría de sus acciones a través de dos miembros de la familia de receptores nucleares: el receptor glucocorticoide (GR) y el receptor mineralocorticoide (MR). GR y MR muestran un alto grado de homología, particularmente  en el dominio de unión al ADN (DBD); ellos pueden unirse a la misma secuencia de ADN, pero los factores  transcripcionales y fisiológicos de activación son muy distintos. Con respecto a la unión de ligando, el GR es selectivo  para los GC, mientras el MR es un receptor  de alta afinidad por la aldosterona y los GC fisiológicos. En las células epiteliales que responden a los mineralocorticoides, la activación del MR por la aldosterona  es posible gracias a su colocalización con una enzima, 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (11β-HSD) tipo 2, la cual a través de la inactivación  de los GC fisiológicos permite el acceso preferencial de la aldosterona al MR.  La 11β-HSD2 está ausente en los cardiomiocitos, aunque puede estar presente  en niveles bajos en los vasos sanguíneos. Por lo tanto, los MR cardiacos potencialmente son ocupados y activados por mineralocorticoides  o GC.

Los estudios clínicos han demostrado que el antagonismo MR reduce la mortalidad y morbilidad en pacientes con insuficiencia cardiaca y fracción de eyección disminuida. Sin embargo, el antagonismo MR no tiene beneficios clínicos en pacientes con insuficiencia cardiaca  y fracción de eyección ventricular izquierda conservada. Los mecanismos que subyacen  a los beneficios del antagonismo MR  han sido explorados en humanos y modelos animales  de insuficiencia cardiaca. Los estudios en ratones transgénicos MR “knockout” han ayudado a dilucidar  el rol normal y fisiopatológico del MR en el corazón. En ratones, la disrupción de MR específica en los cardiomiocitos tienen un mínimo efecto sobre la función y el tamaño basal del corazón, pero mejora la cicatrización  del infarto y previene la remodelación cardiaca adversa y la disfunción contráctil  en la insuficiencia cardiaca isquémica.  También protege contra la dilatación y disfunción  del ventrículo izquierdo  en la sobre carga de presión que sigue a la constricción aórtica.  Sin embargo, estos ratones desarrollan fibrosis e hipertrofia cardiaca, lo que demuestra que en este modelo la activación de los MR de los cardiomiocitos  no es un prerrequisito para la fibrosis e hipertrofia cardiaca. Otro estudio ha demostrado  que el MR de los cardiomiocitos es esencial para la fibrosis cardiaca que ocurre cuando los niveles de mineralocorticoides son inapropiadamente altos  para el estatus de sal. Esto,  se atribuye en gran parte  a la necesidad por MR en los cardiomiocitos  para  el reclutamiento sostenido de células inflamatorias. Por el contrario,  los ratones con alteración en el MR de macrófagos son protegidos  contra la fibrosis  cardiaca tanto en este modelo experimental como en la fibrosis cardiaca inducida por angiotensina II (AngII). Esto sugiere que la activación MR en macrófagos causa el daño cardiaco que produce la fibrosis. La activación MR en macrófagos induce un fenotipo proinflamatorio (M1) activado clásicamente, mientras  los macrófagos MR knockout resultan en un fenotipo antiinflamatorio (M2) activado alternativamente. Entonces, en modelos animales de enfermedad cardiaca, el MR es proinflamatorio. La sobre expresión transgénica  de MR en cardiomiocitos  altera  la señal eléctrica, una elevación  de aproximadamente cinco veces los niveles de MR en los cardiomiocitos murinos  prolonga  el intervalo QT del electrocardiograma, causando arritmias ventriculares y alta mortalidad, lo cual es prevenible con antagonismo MR. En humanos, los niveles elevados de MR en el corazón están asociados con arritmias cardiacas. En resumen, el antagonismo MR en  cardiomiocitos y macrófagos puede ser beneficioso en la insuficiencia cardiaca, mientras la activación MR por cortisol, aldosterona o ambos, contribuye a la progresión de la enfermedad y la mortalidad.

El dramático aumento en los niveles de GC en la gestación tardía de los mamíferos es esencial para la transición  a la vida postnatal. Los GC son administrados a embarazadas con riesgo de parto prematuro para ayudar en la maduración  de los tejidos fetales y mejorar  la supervivencia neonatal. Por el contrario, la exposición prenatal prolongada a elevados niveles de GC  retarda el crecimiento fetal e incrementa  el riesgo de enfermedad cardiovascular en la adultez. El efecto perjudicial  de la excesiva exposición  fetal a los GC puede reflejar  la capacidad  de los GC de promover un cambio de acreción a diferenciación tisular. Entonces, la excesiva –y la restringida-  exposición perinatal a los GC  tiene un impacto  perjudicial sobre la salud cardiaca, aunque en diferentes estados  de vida. La evidencia experimental sugiere que el tratamiento  con GC en  embarazadas con riesgo de parto prematuro promueve la maduración de los cardiomiocitos en el nacimiento  pero en muy pocas células.  En ratas neonatales, la dexametasona, un potente activador sintético de GR pero pobre activador de MR,  reduce la proliferación de los cardiomiocitos, lo que implica que la acción de los GC  a través de GR promueve la transición neonatal de crecimiento hiperplásico a crecimiento hipertrófico  de los cardiomiocitos.  Esto explica, al menos parcialmente, como el tratamiento neonatal con GC limita la reserva de cardiomiocitos y promueve el crecimiento hipertrófico del corazón  en la adultez. Los estudios en animales  sugieren que la activación neonatal de los MR promueve la proliferación de cardiomiocitos (crecimiento hiperplásico)  al tiempo que limita el incremento en el tamaño de los cardiomiocitos (crecimiento hipertrófico). Esto resulta en un mayor número de cardiomiocitos pero más pequeños en la adultez. La activación neonatal de GR  puede reducir el crecimiento  proliferativo de cardiomiocitos  y promover el crecimiento hipertrófico. Esto resulta en un menor número de cardiomiocitos pero de mayor tamaño en la adultez.   El balance entre GR y MR puede ser crítico  para determinar los efectos fisiológicos  de  los GC sobre el crecimiento cardiaco en la vida temprana  y la salud cardiaca adulta, especialmente si consideramos que los MR de los cardiomiocitos  son ocupados predominantemente  por los GC endógenos, los cuales circulan  en concentraciones 100 veces mayores  que la aldosterona.

In vitro, el tratamiento con GC en niveles fisiológicamente relevantes  de cardiomiocitos fetales  mejora la contractilidad (sin afectar la frecuencia de contracciones espontáneas), promueve el aparecimiento  de miofibrillas maduras e incrementa la capacidad mitocondrial. También induce la expresión  de ARNm regulados por GC in vivo. Esto incluye genes  que regulan el metabolismo energético y genes que codifican proteínas manejadoras de calcio como los canales de rianodina (RYR),  la Ca²⁺-ATPasa  del retículo sarcoplásmico (SERCA2A), el intercambiador  sodio-calcio y el canal de calcio dependiente de voltaje. El tratamiento de cardiomiocitos fetales con GC  también incrementa la expresión de reguladores de la oxidación de ácidos grasos   como el receptor activado por el proliferador de peroxisoma (PPARα)  y lipin-1, los cuales son críticos para la generación de energía en las mitocondrias y la función cardiaca en neonatos. Tanto in vitro como in vivo, los GC inducen el gen Ppargc1a que codifica al PGC1α, mediador de algunos de los efectos de los GC en la maduración de cardiomiocitos fetales. El PGC1α incrementa la actividad mitocondrial y la producción de ROS en cardiomiocitos derivados  de stem cell de embriones humanos. Estos hallazgos  sugieren que en los cardiomiocitos fetales, la inducción de PGC1α subyace a los efectos antiproliferativos del tratamiento con GC   a través del incremento de la capacidad mitocondrial y la producción de ROS.

Estudios recientes en ratones con una alteración del GR especifica de cardiomiocitos y ratones con alteración del GR especifica de células de musculo liso y cardiomiocitos, han demostrado las consecuencias patológicas  de la reducción de la señal GR en el corazón adulto. Ambos modelos muestran hipertrofia cardiaca  en la adultez y regulación hacia arriba de la cadena pesada β de la miosina, un marcador  de remodelación cardiaca patológica.  Los ratones con ablación de GR restringida a los cardiomiocitos  son normales en la vida temprana pero desarrollan disfunción sistólica de ventrículo izquierdo a los tres meses de edad y mueren tempranamente por insuficiencia cardiaca congestiva, en ausencia de fibrosis cardiaca.  La expresión cardiaca de varios genes claves, incluyendo Ryr2, disminuye antes del inicio de los síntomas, lo que sugiere un rol causal  en el fenotipo. Por otra parte, varios genes asociados con la inflamación  son regulados hacia arriba en el corazón antes  del aparecimiento de los síntomas, lo cual sugiere que el GR normalmente   suprime la inflamación en el corazón. Esto contrasta con los efectos proinflamatorios de la activación  de MR en los cardiomiocitos, al menos bajo condiciones fisiológicas. La evidencia genética  en humanos también apoya una asociación entre  GR y enfermedades cardiacas. Un haplotipo  del gen GR  relacionado con resistencia a los GC esta asociado  con disfunción sistólica e insuficiencia cardiaca en adultos y con presión sanguínea sistólica aumentada  y crecimiento cardiaco en niños.

La sobre expresión transgénica de GR restringida a cardiomiocitos adultos  causa bradicardia y bloqueo atrioventricular en ratones. En contraste con la sobre expresión de MR, la sobre expresión de GR no está asociada con  arritmias o muerte temprana, ni resulta en hipertrofia cardiaca o fibrosis. Mientras la sobre expresión de MR afecta principalmente la corriente de Ca²⁺ la sobre expresión de GR afecta principalmente  corrientes de Na⁺ y K⁺.

El balance GR-MR normal puede ser crítico  en la acción de los corticoesteroides en el corazón. En el corazón humano, los MR  son ocupados normalmente por el cortisol más que por la aldosterona. Por lo tanto, en los cardiomiocitos, los receptores MR y GR son ocupados predominantemente por los GC. La consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos dependerá  de varios factores. El MR es un receptor de mayor afinidad por los GC que el GR y son ocupados completamente  aun con los niveles  bajos del nadir diurno de cortisol, aunque las condiciones redox  de las células  son claves para determinar si la ocupación de MR por GC provoca la activación del receptor. Por el contrario, el GR sólo es ocupado completamente por ligando en el pico diurno de GC, o en situación de estrés. Adicionalmente, la densidad relativa de GR y MR  puede ser importante para determinar la consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos. El antagonismo MR puede ser beneficioso en la insuficiencia cardiaca a través de una alteración  del balance entre la actividad MR y GR a favor del GR, aún en el nadir natural del cortisol. La alteración del balance entre GR y MR, particularmente durante el estrés o cuando los niveles de aldosterona son elevados, afecta la densidad y actividad de los canales RYR generando eventualmente arritmias. Entonces, es el balance entre GR y MR, más que los niveles absolutos de cada uno, el factor crítico para la consecuencia de la acción de los GC en los cardiomiocitos. Algunos de los efectos de la activación de GR o MR en los cardiomiocitos pueden ser distintos, pero otros efectos pueden depender  de la densidad y/o activación  del otro receptor.

La enzima 11β-HSD2 no es expresada postnatalmente en los cardiomiocitos, solamente la 11β-HSD1, la cual regenera cortisol activo  a partir de la cortisona intrínsecamente inerte.  Esto potencialmente aporta ligando a los receptores GR o MR.

En conclusión,  los receptores GR y MR tienen una alta homología  en estructura y función, pero en los cardiomiocitos, los roles de GR y MR pueden ser opuestos. Ambos receptores son predominantemente ocupados por GC en los cardiomiocitos y pueden ser importantes en la trayectoria de crecimiento y maduración del corazón. Ambos regulan canales iónicos aunque claramente en formas diferentes. Las señales de los receptores MR y GR  impactan la liberación de calcio  inducida por calcio, pero a través de mecanismos diferentes  y con consecuencias potencialmente diferentes. Ambos alteran los procesos de reparación y remodelación cardiaca. El balance GR-MR normal puede ser crítico para las acciones de los corticoesteroides en el corazón. La ocupación de los MR por los GC  depende del contexto celular. Los niveles de GC en la circulación dependen de la actividad del eje HHA y también de la tasa de aclaramiento. Sin embargo, los niveles intracelulares de GC en los cardiomiocitos pueden ser incrementados por la 11β-HSD1. La importancia de la amplificación de GC mediada por 11β-HSD1 depende de los niveles de su sustrato, generados por la actividad de la 11β-HSD2 renal, la cual es mayor cuando el eje HHA es activado.

Fuente: Richardson RV et al (2016). Cardiac GR and MR: from development to pathology. Trends in Endocrinology and Metabolism 27: 35-43.