Regulación pancreática de la homeostasis de la glucosa

Las células endocrinas del páncreas  forman parte de los islotes de Langerhans,  pequeñas estructuras que representan 1-2% de la glándula. Hay cinco tipos diferentes de células en los islotes: células α que producen glucagón que representan 15-20% del total de células del islote; células β que producen amilina, péptido C e insulina y representan 65-80% del total de células; células γ que producen polipéptido pancreático (PP)  y comprenden 3-5%  del total de células; células δ que producen somatostatina  y constituyen 3-10% del total de células y células ε que producen grelina y comprenden <1% del total de células. Cada una de las hormonas tiene funciones distintas. El glucagón incrementa los niveles sanguíneos de glucosa, mientras la insulina los disminuye. La somatostatina inhibe la liberación tanto de glucagón como  de  insulina, mientras el PP regula la secreción exocrina y endocrina del páncreas. Si bien los islotes tienen una composición celular similar  entre las diferentes especies, su citoarquitectura  difiere grandemente.  Aunque los islotes  en roedores están compuestos primariamente  de células β localizadas en el centro con los demás tipos de células en la periferia, los islotes humanos exhiben células α y β interconectadas.

El páncreas, a través de sus hormonas, particularmente glucagón e insulina, mantiene los niveles sanguíneos de glucosa  en un rango muy estrecho de 4-6 mM. Esta preservación es  posible por las acciones opuestas y balanceadas  del glucagón y la insulina, referidas como homeostasis de la glucosa. Durante el sueño  o entre las comidas, cuando los niveles sanguíneos de glucosa son bajos, el glucagón es liberado por las células α para promover la glucogenolisis hepática. Adicionalmente, el glucagón estimula la gluconeogénesis hepática para incrementar los niveles sanguíneos de glucosa durante el ayuno prolongado. Por el contrario, la secreción de insulina por las células β es estimulada  por los niveles elevados de glucosa sanguínea, como ocurre después de una comida. La insulina estimula la captación de glucosa en músculo y tejido adiposo y por consiguiente disminuye los niveles sanguíneos de glucosa. Más aún, la insulina promueve la glucogénesis, la lipogénesis y la incorporación de aminoácidos en proteína. Entonces, la insulina es una hormona anabólica en contraste con la actividad catabólica del glucagón.

En las células β, el principal estímulo para la liberación de insulina es el elevado nivel sanguíneo  de glucosa después de una comida. La glucosa sanguínea circulante  es tomada por el transportador de glucosa GLUT2 que se localiza en la superficie  de la célula β. Una vez dentro de la célula, la glucosa es metabolizada  a través de la glucólisis generando  adenosina trifosfato (ATP), lo cual resulta en un incremento de la relación ATP/ADP. Esta relación alterada provoca el cierre de canales de K+ sensibles a ATP (canales K_ATP). En condiciones no estimuladas, estos camales están abiertos para asegurar  el mantenimiento del potencial de reposo  mediante el transporte de iones K⁺ cargados positivamente hacia fuera de la célula.  Con el cierre de los canales K_ATP, disminuye la magnitud de la corriente hacia fuera de K⁺ provocando la despolarización de la membrana, seguida por la apertura de canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje (VDCC). El incremento en la concentración  intracelular de Ca²⁺ eventualmente  dispara la fusión de los gránulos que contienen insulina con la membrana plasmática   y la posterior salida de su contenido. El proceso de secreción de insulina es bifásico con una primera fase  que alcanza un pico  aproximadamente  5 minutos  después del estimulo de la glucosa. La mayoría de insulina es liberada durante esta primera fase. En la segunda fase, más lenta, se secreta la insulina restante. 

La insulina es almacenada  en vesículas densas que son  reclutadas  en la proximidad de la membrana plasmática. Las moléculas claves que median la fusión de las vesículas que contienen insulina  son la proteína  asociada a sinaptosomas  de 25 kDa (SNAP-25), la sintaxina-1 y la sinaptobrevina 2 (o proteína de membrana asociada a vesícula, VAMP2), las cuales  pertenecen  a la familia  de proteínas solubles  receptor de proteína adherida al factor sensible N-etilmaleimida (SNARE).  Estas proteínas junto con las proteínas Sec1/similar a Munc18 (SM) forman el complejo SNARE.  Para iniciar la fusión, la sinaptobrevina 2,  integrada en la membrana de la vesícula, se fusiona con sintaxina-1 y SNAP-25 que se localizan  en la membrana de la célula,  con el no coordinado de mamífero (munc)-18 como regulador clave. Hasta ahora, numerosas isoformas  SNARE, incluyendo sintaxina 1, 3 y 4, SNAP 25 y 23 así como sinaptobrevina 2 y 3 (VAMP2 y 3) han sido involucradas  en la secreción de insulina estimulada por glucosa,  mientras VAMP8, una proteína SNARE no esencial para la secreción de insulina, tiene un rol en la regulación   de la secreción de insulina potenciada por GLP-1.  Además de proteínas SNARE y MS se requiere un sensor de calcio para iniciar la fusión de membrana. Las sinaptotagminas, altamente expresadas en neuronas y células endocrinas, participan en el proceso de exocitosis dependiente de Ca²⁺. Hasta el presente, se han identificado 17 sinaptotagminas (Syt 1-17) pero sólo ocho de ellas  (Syt-1, -2, -3, -5, -6, -7, -9 y -10) son capaces de unir calcio. Después de su unión con Ca²⁺, las sinaptotagminas forman un complejo con proteínas SNARE para facilitar y disparar la fusión vesícula-membrana. En la familia de sinaptotagminas, Syr-3, -5. -7. -8 y -9 están implicadas en la exocitosis de insulina.

El acople estímulo-secreción en las células β incluye una  variedad  de moduladores que disparan, potencian o inhiben la secreción de insulina estimulada por glucosa, principalmente a través de receptores acoplados a proteína G (GPCR). El factor externo más tradicional  que inicia la secreción de insulina es la glucosa. La glucosa también induce rutas que amplifican la secreción de insulina a través del acoplamiento metabolismo-AMPc o de las hormonas incretinas   péptido similar a glucagón (GLP)-1 y péptido insulinotrópico  dependiente de glucosa (GIP). El acoplamiento  metabolismo-AMPc se refiere a la cascada de señalización  que ocurre después de la conversión  de ATP, el cual es generado durante el metabolismo intracelular de  la glucosa, en AMPc por la adenil ciclasa (AC), lo cual a su vez activa  a la proteína quinasa A (PKA) y el factore de intercambio de nucleótidos guanina regulado por AMPc, también conocido como proteína de intercambio activada directamente por AMPc (Epac)2. La activación de Epac2 amplifica la secreción de insulina incrementando los niveles de Ca²⁺  a partir de los depósitos intracelulares y  controlando la densidad de gránulos en la proximidad de la membrana plasmática. La PKA activada ejerce sus efectos  modulando la actividad de canales K_ATP y canales de Ca²⁺  a través de fosforilación y por consiguiente aumentando el número  de gránulos que contienen insulina sensibles a Ca²⁺  y la probabilidad  de liberación de vesículas  secretoras del pool  de liberación rápida, respectivamente.

Las hormonas GLP-1 y GIP, secretadas en el intestino por las células neuroendocrinas  L y  K respectivamente, después de la ingestión de glucosa, fructosa, aminoácidos y ácidos grasos libres, potencian la secreción de insulina a través del efecto incretina. Este efecto describe la observación  que la glucosa oral, pero no la intravenosa,  es responsable de aumentar la secreción de insulina hasta 50% de la liberación total, a través de la liberación de GLP-1 y GIP en el intestino.  El mecanismo subyacente incluye la unión   de GLP-1 y GIP  a sus GPCR (GLP-1R y GIPR) en las células β del páncreas. Esta unión induce un cambio conformacional en la estructura del receptor que es seguido por el intercambio de guanosina difosfato por guanosina trifosfato y la posterior disociación  de la subunidad G_sα del receptor. Esta subunidad,  a su vez,  activa la adenil ciclasa para convertir ATP en AMPc y desencadenar la ruta de señalización del AMPc. Adicionalmente, el GLP-1 incrementa la concentración intracelular de calcio movilizando Ca²⁺ de los depósitos  sensibles a rianodina o, en una acción similar a la de GIP, activando canales de Ca²⁺ dependiente de voltaje.

Los ácidos grasos libres  no solo estimulan la secreción de incretinas, también modulan la liberación de insulina.  Los ácidos grasos de cadena larga aumentan la secreción de insulina; en cambio, los ácidos grasos de cadena corta la inhiben. La unión y posterior interacción de los ácidos grasos de cadena larga  con su receptor acoplado a proteína G en las células β del páncreas provoca la activación de la fosfolipasa C (PLC), la cual hidroliza fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP₂) en diacilglicerol e inositol-1,4,5-trifosfato (IP₃) que activa canales de calcio en el retículo endoplásmico. La liberación de Ca2+ en el citosol incrementa la concentración intracelular de Ca²⁺, lo cual eventualmente  disparará la secreción de insulina. Por el contrario, los ácidos grasos de cadena corta inhiben la secreción de insulina estimulada por glucosa debido a que disminuyen la oxidación de la glucosa y por consiguiente la relación ATP/ADP. Otro inhibidor de la secreción de insulina es el estrés, específicamente  la noradrenalina producida en respuesta al estrés. La noradrenalina se une  a su receptor α₂-adrenérgico, lo cual resulta en la inhibición de la adenil ciclasa  y en hiperpolarización de la membrana plasmática. Esto previene  un incremento en la concentración intracelular de Ca²⁺ y, por lo tanto, la secreción de insulina.

Así como la insulina ejerce sus efectos en otros órganos y tejidos, otros órganos interactúan con el páncreas para modular la secreción de insulina.  Uno de esos órganos es el cerebro a través del eje cerebro-islote  que interactúa  con el páncreas y viceversa. El páncreas es inervado por fibras parasimpáticas y simpáticas del sistema nervioso autónomo. Al mismo tiempo, los receptores de insulina son expresados en muchas regiones del cerebro humano, incluyendo hipotálamo,  corteza cerebral, cerebelo e hipocampo.  Las lesiones en estas áreas  afectan la secreción de hormonas pancreáticas. Por ejemplo, la destrucción del hipotálamo ventromedial resulta en hipersecreción de insulina  y en altos niveles circulantes de glucagón. La secreción de glucagón  también puede ser modulada por el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) a través de nervios eferentes, mientras el sistema melanocortina  reduce directamente los niveles basales de insulina por estimulación  de las fibras nerviosas simpáticas vía receptores α-adrenérgicos. El neurotrasmisor  neuropéptido Y (NPY), el cual es expresado principalmente en las fibras nerviosas simpáticas, también bloquea la liberación de insulina y la pérdida de esta inhibición  resulta en elevada secreción de insulina, basal y estimulada por glucosa, y en incremento de la masa de islotes. La unión del NPY a su GPCR Y₁ causa la activación  de la subunidad G_iα para bloquear la adenil ciclasa, lo cual a su vez  inhibe la ruta del AMPc. Por otra parte, la acetilcolina a través de receptores muscarínicos M₃ estimula la secreción de insulina.  Adicionalmente, la hormona concentrante de melanina (MCH), el polipéptido activante  de adenil ciclasa hipofisiaria (PACAP) y el péptido liberador de gastrina   también promueven la liberación de insulina. El VIP y el PACAP también liberan glucagón.  Los  neuropéptidos ejercen sus efectos  a través de varias rutas de señalización, incluyendo la ruta quinasa regulada por señal extracelular (ERK)/Akt,  modulación de la entrada de Ca²⁺, AMPc  y, en menor extensión, la ruta PI3K/PKC y la movilización de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares.

La liberación de insulina es estimulada por la llamada fase cefálica que representa un reflejo condicionado de incremento de la secreción hormonal aun en ausencia  de nutrientes/glucosa, como cuando se anticipa una comida, preparando al organismo  para que responda adecuadamente a la ingesta  de nutrientes. La respuesta a la fase cefálica  es importante para asegurar el manejo normal de la glucosa postprandial. El mecanismo neural que subyace a la fase cefálica incluye procesos colinérgicos y no colinérgicos así como al complejo dorsal del nervio vago localizado en la médula oblongata.  Por otro lado, la insulina liberada  en respuesta a una comida entra al cerebro vía barrera hematoencefálica para disminuir la ingesta de alimentos a través de la estimulación de las neuronas pro-opiomelanocortina (POMC) y la ruta de señalización PI3K en el hipotálamo, al  tiempo que inhibe las neuronas AgRP/NPY que secretan los neuropéptidos orexigénicos NPY y péptido relacionado con el Agouti (AgRP).

El hígado tiene un rol clave en la homeostasis de la glucosa almacenando (glucogénesis) o liberando (glucogenolisis/gluconeogénesis) glucosa bajo la acción de la insulina  y el glucagón, respectivamente. La unión del glucagón a su GPCR hepático inicia la cascada de señalización que eventualmente resulta en la activación de la PKA, la cual a su vez estimula dos procesos: promueve la glucogenolisis/gluconeogénesis e inhibe la glucólisis/glucogénesis. La glucogenolisis es un proceso de varias etapas  que incluye la fosforilación mediada por PKA de la quinasa fosforilasa, la formación de glucosa-1-fosfato (G-1-P) a partir de glucógeno por la fosforilasa a y la conversión de G-1-P en G-6-P que eventualmente es convertida en fosfato y glucosa libre. La gluconeogénesis hepática  es promovida por la fosforilación mediada por PKA de la proteína  que se une al elemento de respuesta del AMPc (CREB), el cual a su vez regula positivamente  al coactivador del receptor activado por el proliferador de peroxisoma (PGC)-1. EL PGC-1, conjuntamente con el factor nuclear del hepatocito (HNF)-4, induce la transcripción de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa  que cataliza la conversión de oxaloacetato  en fosfoenolpiruvato, una etapa limitante de la gluconeogénesis.  Esto es seguido por la reversión de la glucólisis durante la cual la estimulación de la bifuncional PFK-2/FBPasa-2 provoca un incremento de la gluconeogénesis  a través de la inutilización de la fructosa-1,6-bifosfatasa (FBPasa)-1, lo cual facilita  la sucesiva conversión  de sustratos  en G-6-P y la supresión de la glucólisis. Más adelante, la glucólisis es  inhibida  por la inactivación mediada por  PKA de la piruvato quinasa, lo cual resulta en la producción de glucosa  en vez de piruvato. Adicionalmente, el glucagón suprime la expresión del gen de la  piruvato quinasa  y aumenta la degradación del ARNm de la piruvato quinasa. Por otra parte, la inactivación inducida por PKA de la sintetasa de glucógeno disminuye la síntesis de glucógeno y concomitantemente  incrementa el “pool”  hepático de glucosa.

En oposición al glucagón, la insulina estimula la glucolisis aumentando la expresión del gen de la glucoquinasa hepática, una enzima clave que convierte la glucosa en G-6-P.  Este incremento es iniciado  por la proteína que se une al elemento regulador de esterol-1c y requiere la ausencia de AMPc. Más aún, la insulina inactiva la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintetasa quinasa (GSK)-3 a través de la ruta  PI3K, lo cual a su vez activa la glucógeno sintetasa. El segundo efecto especifico de la insulina en el hígado es reprimir la expresión  de los genes de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y la G-6-Pasa; la primera por disrupción  de la asociación  de CREB y ARN polimerasa II con el gen promotor  de la fosfoenolpiruvato carboquinasa,  mientras la supresión de G-6-Pasa requiere PKBα/Akt y el factor de transcripción FOXO1, cuya expresión disminuye por la inhibición de GSK-3.

Los factores derivados del hepatocito influyen en la secreción de insulina. Aunque el HNF3β ha sido propuesto  como responsable de la transcripción  del gen  factor promotor de insulina-1 (IPF-1), un factor de transcripción  que regula el desarrollo pancreático, es la pérdida  de HNF1α la que resulta en la abolición casi total de la secreción de insulina debido a una disminución de la respuesta al calcio intracelular. La hepatoquina  betatrofina, también conocida como lipasina o similar a angiopoyetina (ANGPTL) 8, fue inicialmente identificada como un factor que maneja la proliferación de células β y el incremento de la masa de células β en modelos animales de resistencia a la insulina. Sin embargo, estudios posteriores no revelaron alteración en la homeostasis de la glucosa o la expansión de células β en ratones Angptl8 “knockout”. Más aún, la betatrofina no tiene efecto sobre la replicación de células β en humanos.

El intestino libera varias hormonas  con la ingestión de nutrientes, incluyendo GLP-1 y GIP que se unen  a sus respectivos receptores  en las células β del páncreas para potenciar la secreción de insulina. Adicionalmente, ambas hormonas ejercen efectos pancreáticos como la expresión del gen de la insulina estimulada por GLP-1, la neogénesis, proliferación y supervivencia  de células β inducida por incretinas, la prevención de la apoptosis de células β en general y en respuesta a la glucolipotoxicidad. Las acciones extrapancreáticas del GLP-1incluyen la supresión  de la producción endógena de glucosa/glucogenolisis, la secreción de glucagón y el apetito, así como un retardo en el vaciamiento gástrico, mientras el GIP afecta positivamente el metabolismo óseo y el de los lípidos.  La insulina, por su parte, modula la liberación de GIP y GLP-1  a través de las rutas PI3K/Akt  y proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK)/ERK1/2. Además de incretinas, hay también hormonas decretinas  como la  neuromedina U (NmU) y la limostatina, las cuales son secretadas durante el ayuno para suprimir la liberación de insulina.  La NmU, un neuropéptido que media la contracción de músculo liso en el útero, fue aislada inicialmente de médula espina de cerdo, pero los estudios posteriores revelaron que es altamente expresada en duodeno y yeyuno. La NmU se localiza principalmente en células submucosas y mientéricas, lo que sugiere un  posible papel en el control de la función del tracto gastrointestinal. Adicionalmente, la NmU regula la secreción de insulina, el GPCP de la NmU (NmUR1) es expresado en los islotes pancreáticos y su estimulación  disminuye la liberación de insulina. El mecanismo subyacente involucra la liberación simultánea de somatostatina, un modulador de la secreción de insulina. El péptido limostatina también reduce la secreción de insulina y su ausencia causa hiperinsulinemia, hipoglucemia y obesidad. La liberación de limostatina se inicia con la depleción  de alimento y representa un nuevo mecanismo para modular la secreción de insulina durante el ayuno.

Otras hormonas gastrointestinales que interactúan con el páncreas son la gastrina y la colecistoquinina (CCK). La gastrina, secretada por las células G en estómago y duodeno, actúa como factor de crecimiento de los islotes, y junto con el factor de crecimiento transformante-α promueve la diferenciación de las células precursoras de los conductos, la neogénesis  de células β y el incremento de la masa de islotes a partir de la transdiferenciación del tejido pancreático exocrino.  La gastrina también induce la expresión del gen del  glucagón en las células α. La CCK, sintetizada y liberada por las células L del duodeno, potencia la secreción de insulina (basal  e inducida por aminoácidos) y aumenta la secreción de glucagón.

La microbiota intestinal  es  un factor importante en desordenes metabólicos como obesidad, diabetes mellitus tipo 1 y tipo 2. Los pacientes con estos desordenes  presentan alteraciones  en la composición  de su microbiota que pueden iniciar y/o promover  los respectivos desordenes metabólicos. Hallazgos recientes  relacionan un microbioma aberrante  con el desarrollo de autoinmunidad en la diabetes mellitus tipo 1. Generalmente, el microbioma aberrante está representado por una disminución de la diversidad  de microorganismos, incluyendo cantidades muy pequeñas  de las bacterias que producen butirato, el cual  dispara la producción de mucina y por consiguiente la integridad del intestino. La alteración de la composición de la microbiota  también puede contribuir a la obesidad y  a la diabetes mellitus tipo 2, su corrección con probióticos o prebióticos  causa un incremento estimulado por ácido grasos en los niveles de GLP-1 que puede mejorar la enfermedad.

Las adipoquinas y mioquinas  secretadas por tejido adiposo y músculo esquelético, respectivamente, modulan la liberación de insulina.  Como parte del eje adipoinsular, la leptina, la adipoquina más conocida, actúa sobre el núcleo arqueado del hipotálamo para inhibir la ingesta de alimentos y controlar la homeostasis del cuerpo. El receptor de leptina  (Ob-R) es expresado en los islotes pancreáticos y su estimulación causa una reducción en la secreción de insulina debida a la activación de canales K_ATP, lo cual a su vez previene la entrada de  Ca²⁺. La leptina también suprime la expresión del gen de insulina en un asa de retroalimentación negativa.   Por el contrario, la insulina aumenta la expresión del gen ob y la secreción de leptina. La insulina también modula la expresión y secreción de otra adipoquina,  la adiponectina. La adiponectina  no sólo está involucrada en el metabolismo de glucosa y ácidos grasos sino también induce la expresión del gen de insulina y su liberación al tiempo que inhibe la apoptosis de células β.  Otras adipoquinas como apelina, quemerina, omentina, resistina y visfatina interactúan directamente con la insulina, mientras la pproteína relacionada con retinol-4, el factor de necrosis tumoral-α y la vaspina se relacionan con la insulina de una manera indirecta.

Los miocitos  liberan citoquinas  conocidas como mioquinas. El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF21) es una proteína con un amplio modo de acción, incluyendo la regulación del metabolismo de carbohidratos y ácidos grasos y puede ser considerado como una mioquina debido a su secreción por las células musculares. El FGF21 es regulado por la insulina  a través de la ruta de señalización  PI3K/Akt.  La interleuquina 6 (IL-6)  es al mismo tiempo adipoquina y mioquina e influye en el páncreas controlando  la expresión  de proglucagón  y la secreción de glucagón. La IL-6 incrementa la proliferación de células α y la masa de islotes al tiempo que protege al páncreas  de la apoptosis inducida por estrés metabólico.  Adicionalmente, la IL-6 incrementa la producción  de GLP-1  a partir de proglucagón  y su secreción en las células α del páncreas y en las células L del intestino, lo cual eventualmente resulta en un incremento de la secreción de insulina mediada por GLP-1.

En conclusión, el páncreas tiene roles claves en el mantenimiento de los niveles normales de glucosa en sangre a través de la producción y liberación de insulina y glucagón. Estas hormonas no solo interactúan una con otra en los islotes pancreáticos sino también  con otros órganos/tejidos como cerebro, hígado, intestino tejido adiposo y músculo esquelético. Los ejes islote-órgano/tejido forman una red altamente sofisticada que incluye  varias moléculas de señalización: neuropéptidos (factor neurotrófico  derivado del cerebro, NPY, hormona concentrante de melanina, péptido liberador de gastrina, VIP y PACAP), hepatoquinas (betatrofina y HNF), hormonas enteroendocrinas  (GIP, GLP-1, NmU, limostatina, gastrina y CCK), adipoquinas (leptina y adiponectina) y mioquinas  (FGF21 e IL-6) que interactúan principalmente  a través de GPCR y rutas de señalización como la cascada de AMPc. En las personas sanas, el buen funcionamiento de las interacciones entre todos los órganos y tejidos involucrados asegura la homeostasis de la glucosa. Sin embargo, las alteraciones en la secreción y/o sensibilidad  a la insulina pueden resultar en enfermedades metabólicas como la diabetes mellitus tipo 2.

Fuente: Röder PV et al (2016). Pancreatic regulation of glucose homeostasis. Experimental & Molecular medicine 48: 1-19.