El eje somatotrópico en el envejecimiento humano

Los niveles de hormona de crecimiento  (GH) y  factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1) cambian a través de la vida de los humanos. El pico de los niveles circulantes de GH/IGF-1 ocurre en la segunda década  de la vida, un tiempo  de considerable proliferación celular y crecimiento lineal, pero luego disminuyen rápidamente hasta la sexta década cuando presenta un “plateau”. El efecto  de esta disminución relacionada con la edad sobre la salud  en los humanos es complejo y aún no se conoce completamente, aunque hay consenso entre los científicos que el reemplazo de GH no es una opción viable de tratamiento en la población adulta mayor. Los datos disponibles a partir de humanos gemelos e individuos con longevidad excepcional acerca de los potenciales efectos beneficiosos  de la atenuación  de la señal somatotrópica sobre la vida y la salud son aún inconclusos.  Aunque es posible alterar en los humanos la señal GH/IGF-1 con agentes farmacológicos, muchas preguntas importantes permanecen sin respuesta. Por ejemplo, ¿hay en los adultos mayores órganos/sistemas que pueden sufrir efectos perjudiciales por la disminución de la señal GH/IGF-1?, ¿Cómo difieren estos efectos  entre hombres y mujeres?, ¿Cuál es la contribución  de los factores ambientales, como la nutrición, a la función  del eje somatotrópico?

La GH es secretada en forma de pulsos por la hipófisis anterior  en respuesta a la estimulación  por la hormona liberadora  de hormona de crecimiento (GHRH), la ghrelina y componentes de la dieta  como las proteínas. La secreción de GH es inhibida por el IGF-1 en un asa de retroalimentación, así como por la somatostatina y otras señales neuroendocrinas, incluyendo la insulina. La GH es el principal  regulador  de la expresión hepática de IGF-1, el cual también es regulado y secretado  por otros órganos de manera autocrina /paracrina. La insulina potencia la secreción hepática  de IGF-1 en respuesta a la GH a través  de la regulación hacia arriba de los receptores de  GH. El IGF-1 inicia cascadas de señalización intracelulares a través de la unión  al IGF-1R en la superficie celular  y activa la fosforilación  de moléculas sustratos del receptor de insulina (IRS), la ruta fosfoinositido 3-kinasa/proteina kinasa B  (PI3K/Akt) y la proteína kinasa activada por mitogenos  (MAPK). El IGF-1 también controla múltiples funciones incluyendo la actividad del  blanco de rapamicina (mTOR) y la translocación  de Forkhead box O (FoxO). El IGF-1 se une a una familia de proteínas estructuralmente relacionadas  llamadas proteínas de unión  de IGF (IGFBP1 a 6) que secuestran el IGF-1  en complejos de alta afinidad.  La producción hepática de IGFBP1 está bajo control negativo de la insulina y se correlaciona inversamente con los niveles de IGF-1, mientras la producción de IGFBP3 está bajo regulación positiva de la GH. La IGFBP1 circula en pequeñas cantidades y la IGFBP es  la  más abundante de estas proteínas ligadoras. En la circulación, la mayor parte del IGF-1 está unida a la IGFBP3 como parte de un complejo ternario de 150 kD que involucra a una tercera proteína, la subunidad ácido lábil (ALS). Este proceso altamente regulado  protege al IGF-1 y las IGFBP de una rápida degradación o  eliminación de la circulación al tiempo que mantiene las concentraciones circulantes  de la forma biológicamente activa (“libre”) de IGF-1 en niveles relativamente bajos. Algunas de las IGFBP exhiben acciones  independientes del IGF-1 e impactan funciones como el metabolismo de la glucosa  y el ciclo celular.  Con el envejecimiento, disminuyen la amplitud y la frecuencia de los pulsos de GH, lo que provoca disminución de los niveles circulantes de IGF-1.  Sin embargo, se desconoce el impacto de esta disminución sobre la producción autocrina  de IGF-1 por el cerebro y tejidos periféricos.

Los humanos con variaciones genéticas o mutaciones  en la ruta GH/IGF-1 son usados como modelos para estudiar la relación  entre el eje somatotrópico, la salud y la longevidad. En este contexto, los individuos con receptor de GH (GHR) no funcional debido a una mutación en el gen GHR (enanos Laron) manifiestan un riesgo significativamente reducido  de desarrollar cáncer, y diabetes mellitus tipo 2. Las mujeres nonagenarias portadoras de polimorfismos genéticos  que atenúan la acción de la ruta GH/IGF-1 exhiben mayor supervivencia. Asimismo, los individuos con longevidad excepcional tienen  mutaciones funcionales en el gen IGF-1R que les confiere resistencia al IGF-1. Variantes en los genes AKT1 y FOXO3A han sido identificadas en individuos longevos de diversas razas, aunque su rol funcional aún no está definido.  Más aún, los individuos centenarios exhiben altos niveles del microARN hsa-miR-363, el cual regula a AKT1  e IGFBP5. Esto indica  que la regulación posttranslacional del eje GH/IGF-1 también puede jugar un rol en la longevidad. La pregunta sobre si estos efectos beneficiosos requieren  la exposición durante el desarrollo  o si  podrían ser alternativamente  activados  por intervenciones farmacológicas todavía no tiene respuesta satisfactoria.

El envejecimiento es el principal factor de riesgo subyacente  de numerosas enfermedades, incluyendo enfermedades cardiovasculares, cáncer diabetes tipo 2 y demencia.  Los individuos centenarios retardan significativamente el inicio  de la mayoría de las enfermedades  asociadas con la edad y frecuentemente escapan de tales enfermedades. Los niveles circulantes de IGF-1 se correlacionan inversamente con la supervivencia en individuos adultos mayores. Un estudio con nonagenarios holandeses de ambos sexos reporta que la tasa de mortalidad fue 27%  menor en individuos con baja relación IGF-1/IGFBP3.  Más aún, los individuos con la más baja relación IGF-1/IGFBP3 obtuvieron  las mayores puntuaciones en el rendimiento en  actividades de la vida diaria. Estas observaciones sugieren que la disminución de la función del eje GH/IGF-1 puede ser beneficiosa para el envejecimiento humano al tiempo que promueve la longevidad confiriendo protección contra las enfermedades relacionadas con la edad.

La evidencia epidemiológica  revela que los elevados niveles circulantes de IGF-1 están asociados  con un incremento en el riesgo futuro  de cáncer en las poblaciones humanas. El IGF-1 promueve la malignidad estimulando el crecimiento y la proliferación celular.  La evidencia que relaciona al IGF-1 con el cáncer en humanos es más fuerte  para el cáncer de mama y el cáncer de próstata.  Adicionalmente, los niveles de IGFBP han sido relacionados con el riesgo de cáncer, niveles elevados de IGFBP3 han sido relacionados con cáncer de mama, mientras niveles bajos de IGFBP1 reducen el riesgo de cáncer de próstata. El rol de la GH per se en el riesgo de cáncer en humanos es menos claro. Los pacientes con acromegalia que se caracterizan por secreción excesiva de GH tienen un mayor riesgo   de presentar cáncer múltiple, incluyendo colon, tiroides y próstata, mientras los enanos Laron parece que están protegidos de la malignidad. Numerosos estudios en roedores han demostrado la importancia de GH, IGF-1 e insulina en la tumorigénesis, mientras la restricción calórica que reduce los niveles de IGF-1 e insulina retarda la transformación y progresión de los tumores. La GH impacta el crecimiento del tumor independientemente del IGF-1 circulante. Por ejemplo, la lesión del igf1 hepático no reduce la progresión del tumor prostático en ratones. En humanos, líneas de células cancerosas, particularmente células metastáticas de melanoma, expresan GHR, e incrementan   su proliferación  en respuesta a la GH. Si estos efectos sobre la progresión del cáncer  son mediados directamente por la GH o  a través de la  producción local de IGF-1 estimulada por GH aún no está claro. Varios estudios en humanos sobre la mortalidad  asociada al cáncer y los niveles circulantes  de IGF-1 revelan una relación en forma de U, con los niveles más bajos y más altos de IGF-1 asociados  con una mayor mortalidad  relacionada con cáncer.

La relación entre enfermedad cardiovascular, mortalidad asociada a cardiopatía y niveles de IGF-1 en humanos es conflictiva.  Altos niveles circulantes de IGF-1 se correlacionan positivamente  con riesgo de insuficiencia cardiaca  congestiva, pero no se ha encontrado asociación significativa entre IGF-1 y riesgo futuro de eventos cardiovasculares  como infarto de miocardio.  Por otra parte, varios estudios poblacionales han encontrado 1,5-2 veces mayor riesgo de mortalidad cardiovascular entre los individuos con bajos niveles circulantes de IGF-1. Los datos de los estudios en animales son igualmente complejos. Ratones GH transgénicos  tienen hipertrofia  cardiaca y más fibrosis similar a lo que se observa en humanos con acromegalia, mientras ratas con deficiencia de GH e IGF-1 tienen mayor incidencia de estrés arterial. Los modelos animales sugieren que el IGF-1 puede proteger  contra la disfunción endotelial y reducir la señal pro-inflamatoria  y por consiguiente contribuir a la protección contra enfermedades cardiovasculares. Por el contrario, otros estudios reportan que la lesión  del gen IGF-1R en las células endoteliales  resulta en efectos beneficiosos sobre la sintetasa  de óxido nítrico endotelial (eNOS) y la reparación de la pared vascular.

El eje somatotrópico está intrínsecamente  relacionado con la ruta de  señalización de la  insulina y la homeostasis de la glucosa. La reducción de la señal GH/IGF-1 resulta en extensión de la vida  en modelos de mamíferos.  En los mamíferos, las señales a través IGF-1R e IR convergen  en las rutas PI3K/Akt y MAPK. Más aún,  IGF-1R e IR  pueden combinarse para formar heterodímeros conocidos como híbridos IGF-1R/IR y la expresión de estos receptores híbridos puede ser una proporción significativa  del total de receptores  en algunos tejidos como corazón, músculo y cerebro. Fisiológicamente,  el IGF-1 tiene efectos similares a los de la insulina en la periferia y en el cerebro para regular la homeostasia de la glucosa, aunque el IGF-1, a través de su acción central, es más potente que la insulina en la regulación  de flujos de glucosa periférica en el envejecimiento.

La asociación entre niveles circulantes de IGF-1 y función cognitiva en humanos  es motivo de debate actualmente. Un estudio reciente  demuestra que los niveles elevados  de IGF-1 se correlacionan positivamente con la función cognitiva en hombres viejos pero no en mujeres. Los resultados de los estudios prospectivos son más inconsistentes, pero algunos de esos estudios reportan un pobre rendimiento cognitivo y un incremento en el riesgo  de enfermedad de Alzheimer en los individuos con bajos niveles de IGF-1, mientras otros estudios no encontraron ninguna asociación  entre la función cognitiva y los niveles circulantes de IGF-1. Los estudios en roedores  revelan que los niveles de IGF-1 en la circulación, líquido cerebroespinal (LCE) y tejido cerebral disminuyen con el avance de la edad en algunas cepas, mientras la expresión de IGF-1R en varias regiones del cerebro incrementa, disminuye o se mantiene sin cambios. Sin embargo, paradójicamente en ratones enanos, la expresión de GH e IGF-1 en hipocampo aumenta, lo que sugiere que el mantenimiento de niveles adecuados de IGF-1 en el cerebro puede ser crítico para la función cognitiva normal en estos ratones. El cerebro, además de la producción local,  recibe IGF-1 de la periferia a través de un mecanismo de transporte en el plexo coroideo que involucra al IGF-1R y a la proteína relacionada con el receptor de lipoproteínas de baja densidad 2 (LRP2), pero algunos estudios sugieren que el flujo de IGF-1 del LCE al tejido cerebral es alterado con el envejecimiento. Sin embargo, la administración de IGF-1 en el SNC puede mejorar el aprendizaje y la memoria en ratones viejos. Los mecanismos relacionados con este efecto no están  claros pero aparentemente involucran al sistema cerebrovascular, el acoplamiento neurovascular, la regulación de receptores N-metil-D-aspartato (NMDA), la función sináptica y la plasticidad sináptica. El IGF-1 también influye en la cognición durante el envejecimiento a través de su efecto sobre la neurogénesis.

La disminución de la densidad mineral ósea (DMO) que causa fragilidad del hueso, llamada osteoporosis, provoca un incremento en el riesgo de fracturas y a menudo  se presenta  como una manifestación  del envejecimiento. La GH y el IGF-1 regulan el metabolismo óseo a través de señales paarcrinas/autocrinas. La GH induce la producción de IGF-1 por los osteoblastos. El IGF-1, a su vez, afecta la diferenciación  de osteoblastos y la mineralización ósea.  La hormona paratiroidea  también contribuye  a la transcripción del gen IGF-1en el hueso. Varios estudios conducidos en poblaciones de adultos mayores han encontrado una correlación positiva entre los niveles de IGF-1 y la DMO específicamente en mujeres o solamente en hombres. Los análisis prospectivos  han confirmado una asociación similar en mujeres. Los bajos niveles de IGF-1 han sido relacionados con incrementos en el riesgo  de fracturas en hombres y mujeres, aunque no todos  los estudios  muestran efectos específicos con relación al sexo. La evidencia reciente en estudios de deficiencia inducida de IGF-1 en modelos de roedores sugiere que los bajos niveles de IGF-1 en la vida temprana –pero no en la vida tardía- provoca reducciones  en la estructura  y fuerza del hueso  cortical  en machos y hembras. Otros estudios reportan que  la deficiencia de IGF-1, a pesar de un exceso de GH, compromete la integridad del esqueleto y acelera la pérdida ósea. Por otra parte, el tratamiento con IGF-1 fue insuficiente  para restaurar la integridad  del esqueleto en ausencia de GHR, lo que sugiere que la GH y el IGF-1 son requeridos  para el desarrollo normal y la integridad del esqueleto.

Los investigadores del envejecimiento reconocen que el efecto de una hormona puede diferir dramáticamente en un organismo joven en comparación con uno viejo. El concepto de “antagonismo pleiotrópico” el cual establece que algunos factores pueden tener  efectos beneficiosos para el crecimiento y la reproducción en el joven, pero tener efectos perjudiciales para un organismo viejo, es relevante para el eje somatotrópico. El IGF-1 es requerido para el desarrollo normal del cerebro y aparentemente juega un rol en la salud cardiovascular y la adquisición de hueso; pero los niveles circulantes persistentemente altos durante la vida media y la vida tardía pueden causar un mayor riesgo de malignidad.  Por otra parte, es ampliamente aceptado actualmente que los efectos de la GH, y particularmente  el IGF-1, sobre la fisiología, la enfermedad y la supervivencia son sexo-específicos.

Los niveles circulantes detectables de IGF-1no necesariamente reflejan  su concentración a nivel tisular, donde puede ser producido localmente y ejercer función paracrina/autocrina. Por lo tanto, es posible que la disminución de los niveles circulantes de IGF-1 pueda provocar una mayor producción local como resultado de la perdida de la retroalimentación negativa que  ejerce el IGF-1 circulante. Esto puede explicar cómo diferentes  órganos que tienen requerimientos variantes de IGF-1 pueden mantener una función óptima a pesar de la disminución del IGF-1 circulante. Por otra parte, los efectos beneficiosos de los altos niveles circulantes de IGF-1  pueden ser dependientes de la edad. Por ejemplo, la  regulación de la formación ósea por GH e IGF-1  se observa en animales jóvenes pero no en roedores viejos. Entonces, la disminución en los niveles  GH/IGF-1 asociada con la edad  puede resultar en protección contra la malignidad  sin compromiso del sistema músculo-esquelético en los individuos viejos.

En conclusión, los estudios en humanos y animales revelan un impacto beneficioso  de la disminución de la acción del IGF-1 sobre varias enfermedades relacionada con la edad. Sin embargo, a pesar de estas evidencias, los resultados de los estudios epidemiológicos no proporcionan la misma claridad. Las inconsistencias en los resultados de estudios  en humanos son enfermedad-especificas. 

 Fuente: Mitman S et al (2016). The somatotropic axis in human aging: framework for the current state of knowledge and future research. Cell Metabolism 23: 980-989.

Función del FGF8 durante el desarrollo de las neuronas GnRH

El factor de crecimiento fibroblástico 8 (FGF8) regula la proliferación de células progenitoras neuroendocrinas y la supervivencia celular, por lo tanto juega un rol critico para el desarrollo y mantenimiento de sistemas homeostáticos en el cuerpo como el eje hipotálamo-hipófisis-gónadas. El FGF8 es crucial para la emergencia  de las neuronas que producen hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), pero también afecta la maduración postnatal de neuronas vasopresina, oxitocina, kisspeptina y hormona liberadora de corticotropina del hipotálamo de mamíferos. En humanos, las mutaciones del gen Fgf8 causan el síndrome de Kallmann (SK), una forma de hipogonadismo hipogonadotrópico congénito asociado con anosmia. Generalmente, los pacientes con SK no tienen pubertad y son infértiles en la adultez. Estas observaciones indican que las disrupciones embrionarias en la señal FGF8 pueden alterar el desarrollo de las neuronas GnRH  y causar infertilidad. Los estudios genéticos de individuos con deficiencia de GnRH reportan que el Fgf8  es un gen importante para el desarrollo y migración de las células GnRH progenitoras. El FGF8 puede actuar  a través de cuatro receptores (FGFR) tirosina quinasa  unidos a membrana.

Dos estudios publicados en la década de los años 80 han sido esenciales  para entender dónde y cuándo la señal FGF8 es crítica  durante el desarrollo del sistema neuronal GnRH. Estos estudios presentaron evidencia convincente  que las neuronas GnRH hipotalámicas de humanos y roedores se originan en la placa olfatoria medial (POm). Sin duda, es un hallazgo sorprendente que la región morfogenética PO, la cual es conocida principalmente como precursor anatómico  de estructuras frontonasales faciales, también sea el origen de una población especifica e importante de células neuroendocrinas  del hipotálamo. Los estudios de proliferación indican que en el ratón la gran mayoría (80%) de células GnRH progenitoras se vuelven postmitóticas en la POm entre los  días embrionarios E9,5 y E10,5. Después de su emergencia en la POm, las neuronas GnRH migran a lo largo del septum nasal siguiendo a el trayecto de los nervios olfatorio, vomeronasal y terminal hasta llegar al área preóptica y el hipotálamo. Postnatalmente, la mayoría de neuronas GnRH están localizadas alrededor del extremo anterior del tercer ventrículo llamado lamina terminalis organum vasculosum en el área preóptica y proyectan sus axones a la zona externa de la eminencia media. La estimulación de las neuronas GnRH provoca la liberación del decapéptido GnRH en el sistema venoso porta para activar en la hipófisis anterior la producción de gonadotropinas y su liberación en la circulación sistémica.   

La PO es una región ectodérmica que da origen al epitelio respiratorio (no sensorial) y al epitelio olfatorio (sensorial).  A partir del epitelio olfatorio  se desarrollan  los sistemas olfatorio y vomeronasal. Los estudios en ratones demuestran que el lugar de nacimiento  de las neuronas GnRH puede traslaparse con una porción muy pequeña del epitelio respiratorio que bordea al epitelio olfatorio. Estos datos indican que los epitelios respiratorio y olfatorio contribuyen a la capacidad de la PO para generar neuronas GnRH. Las células migrantes de la cresta neural también contribuyen al pool de células GnRH progenitoras. La cresta neural es una región bilateral que proviene de la placa neural y  comparte un borde con la región que eventualmente será la PO. Algunas células de la cresta neural anterior  migran hacia la potencial PO y contribuyen al desarrollo de la PO. Por lo tanto,  las células progenitoras que se diferencian en neuronas GnRH  se originan en la cresta neural y la PO.

En el ratón, la familia FGF tiene 22 miembros. La homología entre los FGF  se basa en la presencia de una región de 120 aminoácidos altamente conservada y el 30-60% de identidad  a través de todos los FGF. La presencia de un péptido señal N-terminal en la mayoría de FGF  indica que son secretados  en el medio extracelular.  La señal FGF es facilitada a través de receptores tirosina quinasa unidos a membrana  que contienen un dominio extracelular para la unión del ligando, un dominio transmembrana  y un dominio tirosina quinasa intracelular. En algunos casos, el FGFR es transportado a –o reside en- el núcleo celular. Hasta el presente se han identificado cuatro FGFR  en humanos y ratones. La región extracelular  de un FGFR  se caracteriza por la presencia de tres dominios similares a inmunoglobulina (Ig) y un dominio de unión a heparina. La unión estable del FGF en presencia de heparina causa la dimerización del FGFR y la fosforilación de residuos tirosina  en el dominio quinasa. Esto, a su vez,  inicia diversas rutas de señalización intracelular incluyendo la fosforilación de dominios SH2 de la fosfolipasa Cγ, la hidrólisis de fosfatidilinositol bifosfato a diacilglicerol  e inositol trifosfato, lo cual resulta en cambios intracelulares en la concentración de Ca²⁺. Los FGFR también activan la ruta ERK, específicamente ERK1 y ERK2. Adicionalmente, la señal FGF puede activar la ruta PI3K/AKT, la cual a su vez  protege contra la apoptosis a través de la inhibición de caspasas. El análisis de “splicing” alternativo del ARNm de FGFR revela que el tercer dominio similar a Ig  tiene tres versiones, referidas como IIIa, IIIb o IIIc y son expresadas de manera tejido específica. La forma IIIa del FGFR es secretada  en el ambiente  extracelular mientras las formas IIIb y IIIc están presentes principalmente en células epiteliales y mesenquimales, respectivamente. Los estudios de afinidad demuestran que los FGFR pueden unir a una variedad de ligandos FGF, lo que indica la presencia de redundancia funcional. Por ejemplo, la señal de la subfamilia FGF8, 17 y 18 ocurre preferencialmente  a través de FGFR3c < FGFR4c < FGFR2c < FGFR1c < FGFR3b. Por otra parte, estudios recientes han detectado que la afinidad de unión  de la variante FGF8b por FGFR1 = FGFR2 = FGFR3, lo que indica que la señal FGF8 puede ser mediada igualmente por FGFR1, FGFR2 o FGFR3. La complejidad y redundancia  en los ligandos  y receptores FGF demuestra la inherente robustez  de la señal FGF durante el desarrollo embrionario.

Los estudios en humanos y roedores han confirmado el concepto  que la señal FGF8 es de importancia crítica para la emergencia  del sistema de neuronas GnRH. Las neuronas GnRH están ausentes en embriones de ratón -y recién nacidos- Fgf8 hipomórficos homozigotos.  El número de neuronas GnRH también está reducido en ratones Fgf8 hipomórficos heterozigotos en comparación con ratones silvestres. Otros estudios  demostraron que el déficit de neuronas GnRH  retarda la pubertad en ratones hembras. Estos resultados proporcionan una explicación  fundamental para los defectos reproductivos de los pacientes con SK. La eliminación de neuronas GnRH generalmente ocurre  durante la fase de emergencia  (E9,5-E10,5) del desarrollo neuronal GnRH. No se sabe  con certeza si la eliminación  de células GnRH progenitoras se debe a alteración de la proliferación  o de la supervivencia celular. Sin embargo, la evidencia favorece la segunda posibilidad dada la presencia de un incremento de apoptosis reportado en la PO de ratones con reducida expresión de FGF8. Más aún, los estudios en ratones carentes de Fgf8 reportan que la apoptosis en la PO es mucho mayor  en el E10,5. Por el contrario, no se encontraron diferencias  en el nivel de proliferación celular. Por lo tanto, la reducida expresión  de FGF8 en la PO en el período embrionario temprano disminuye la supervivencia  de células GnRH progenitoras. Los estudios en embriones de pollo confirman que la señal FGF8 es crítica para la emergencia  de neuronas GnRH en la PO.   El FGF8 afecta el desarrollo de las neuronas GnRH de una manera bifásica. (1) El FGF8, inicialmente,  actúa como un factor neurotrófico que previene la eliminación de células progenitoras durante la emergencia de las neuronas GnRH en la POm. (2) El FGF8 también funciona como factor morfogenético  que mantiene el carácter proliferativo de las células progenitoras. Estudios recientes  confirman que el ARNm del Fgf8 se localiza primariamente  en el epitelio respiratorio. Estos estudios también indican que las neuronas GnRH no derivan de células progenitoras del epitelio respiratorio que expresan Fgf8.  Por lo tanto, es posible que las células epiteliales respiratorias que expresan Fgf8  proporcionen el soporte trófico que promueve la supervivencia  de las células progenitoras GnRH en la POm durante el período E9,5-E10,5.

El FGF8 fue descubierto originalmente como un factor de crecimiento inducido por andrógenos en células SC-3, una línea celular de cáncer de mama dependiente de andrógenos en ratón. Los primeros estudios indican que la expresión del ARNm de Fgf8 en la PO de ratón es regulada hacia arriba alrededor del día embrionario E8,5 seguida por una regulación hacia abajo alrededor de E11,5/12,5. Los estudios también demuestran que la testosterona induce al ARNm de Fgf8, el andrógeno unido a su receptor  actúa sobre los elementos de respuesta de andrógenos para estimular la actividad luciferasa acoplada al promotor Fgf8.  Sin embargo, estudios recientes en ratones demuestran que, a diferencia de las células SC-3,  el andrógeno no modula al Fgf8 ni afecta la expresión de ARNm de GnRH, lo que sugiere que el andrógeno no es el regulador primario de la transcripción de Fgf8 en la PO del embrión de ratón. No obstante, no se puede descartar la posibilidad que la señal de los andrógenos  tenga efectos sobre la expresión  de Fgf8  dependiendo  del estatus epigenético del promotor Fgf8.

El ácido todo trans retinoico (ATRA) es un fuerte inhibidor  de la expresión de Fgf8 en la PO. La inhibición de la expresión de Fgf8 en la PO es causada por la síntesis  de ATRA a partir de vitamina por la enzima aldehído deshidrogenasa  en las células de la PO. El ATRA activa receptores retinoides (RXR) como el receptor de ácido retinoico  (RAR α, β, γ) en la PO en desarrollo. Los RAR unen ATRA y el esteroisómero  9-cis RA. Aunque los RAR y RXR actúan como complejos hetrodiméricos que afectan la transcripción de genes, los estudios indican que los RXR actúan primariamente como socio silente con respecto a la transcripción de genes. Más aún, el 9-cis RA está ausente en el embrión de ratón. Los datos de los estudios sobre el desarrollo del cerebro indican claramente que el ATRA  actúa para  restringir espacialmente y temporalmente la expresión del ARNm de Fgf8. Estudios recientes reportan que el ATRA previene la regulación hacia arriba de la expresión de GnRH. Por lo tanto, el ATRA a través de los RAR  restringe temporalmente la transcripción de Fgf8 en la PO de ratón con la consiguiente regulación hacia abajo  de los niveles de ARNm de Fgf8 en las células de la PO después de E11,5/12.5.

La regulación de la transcripción  de Fgf8 en la PO está bajo el control  de la metilación de ADN. La metilación de ADN depende de la DNMT, la cual cataliza la metilación de citosina en presencia del donador de grupos metilo  S-adenosil metionina. Las células progenitoras olfatorias expresan altos niveles de DNMT en el E11,5.  Específicamente, las progenitoras olfatorias mitóticas expresan exclusivamente DNMT3b, mientras las neuronas olfatorias postmitóticas expresan DNMT3a.  La expresión de ARN de Dnmt3b disminuye gradualmente  después de E11,5.  Un estudio reciente demuestra que junto con el aumento de la transcripción de Fgf8 entre E8,5 y E11,5, el gen Fgf8 es inicialmente  metilado  seguido por un proceso de desmetilación de ADN, lo cual está en línea con estudios que indican que la represión de la DNMT entre E7,5 y E10,5 causa la desmetilación global de ADN y posteriormente la regulación hacia arriba de la expresión de genes. Por lo tanto, la disminución de la actividad de DNMT podría inducir la expresión de Fgf8. Por otra parte, la modulación de la expresión de Fgf8 por la señal andrógeno puede actuar conjuntamente con otros cambios en el medio celular durante el desarrollo de la PO. Una posibilidad  es que en el contexto de una modificación epigenética de la expresión de Fgf8, la señal andrógeno puede actuar como un freno transcripcional  que limita los efectos morfogenéticos  o proliferativos de la señal Fgf8 debido a la regulación hacia arriba  de la expresión de Fgf8 dependiente de metilación de ADN.

En conclusión,  la transcripción de Fgf8 en la PO se debe a la acción coordinada del receptor de andrógeno, los RAR y la desmetilación de ADN, lo cual proporciona un medio transcripcional permisivo que inicialmente promueve y más tarde limita la emergencia de neuronas GnRH. La disrupción de la transcripción de Fgf8 en la PO puede eliminar la emergencia del sistema neuronal GnRH lo que sugiere que la función primaria del FGF8 es proporcionar soporte trófico para la emergencia de las neuronas GnRH. Sin embargo, los datos de algunos estudios indican  que el FGF8 causa una reducción en la expresión de ARNm de GnRH. Por lo tanto, es posible que la función fisiológica de la transcripción de Fgf8 sea doble. Inicialmente, la regulación hacia arriba de FGF8 promueve y proporciona soporte para la emergencia de las neuronas GnRH en la POm. Sin embargo, debido a que el FGF8 también mantiene la naturaleza indiferenciada de las células progenitoras, la expresión de FGF8 en la PO debe ser regulada hacia abajo antes de la desdiferenciación de las nuevas neuronas GnRH.

Fuente: Chung WCJ et al (2016). The regulation and function of fibroblast growth factor 8 and its function during gonadotropin-releasing hormone neuron development. Frontiers in Endocrinology 7:114.

Rol de la glucokinasa neuronal

La glucosa es una fuente primaria de combustible para el sistema nervioso central (SNC) y es importante para la función normal de las neuronas. Los mecanismos sensores de glucosa permiten al cerebro monitorear constantemente los niveles neuronales de glucosa para controlar las funciones metabólicas periféricas involucradas en la homeostasis de glucosa y energía.  La glucosa actúa como molécula de señalización y como sustrato energético  en las neuronas sensibles a glucosa. Hay dos tipos de neuronas sensibles a glucosa: excitadas por glucosa (GE) e inhibidas por glucosa (GI).  Los dos tipos de neuronas se encuentran en  las regiones sensibles a glucosa del cerebro como el hipotálamo y el tallo cerebral.  La tasa de disparo de las neuronas GE incrementa (y la de las neuronas GI disminuye) en la medida  que aumentan los niveles de glucosa en el cerebro. La evidencia actual sugiere que la mayoría de neuronas GE expresan péptidos anorexigénicos, mientras las neuronas GI liberan péptidos estimulantes del apetito durante los estados de hipoglucemia para incrementar la ingesta de alimentos.

La glucokinasa (GK), también conocida como hexokinasa IV, cataliza la conversión  de glucosa en glucosa-6-fosfato,  la primera etapa de la glucolisis. La GK tiene ciertas propiedades bioquímicas que la diferencian de otras hexokinasas y le permiten funcionar como una enzima sensible a glucosa. La GK tiene menor afinidad por la glucosa que otras hexokinasas (K_m 10 mmol/l) y no se satura con las concentraciones fisiológicas de glucosa. A diferencia de otras hexokinasa, la GK no es inhibida  por el producto de la reacción que cataliza. Estas propiedades permiten que la tasa de fosforilación  de glucosa dependa de –y sea proporcional a- los niveles intracelulares de glucosa. Existen dos isoformas de GK, con las mismas propiedades cinéticas  pero con funciones diferentes. Estas isoformas son codificadas por el mismo gen, pero promotores separados  provocan diferentes patrones de “splicing”, produciendo diferentes variantes de la enzima GK. La GK es expresada en el páncreas y el hígado. La GK pancreática está involucrada en el proceso de secreción de insulina  estimulada por glucosa. Un aumento en la concentración de glucosa resulta en un incremento en la producción  celular de ATP,  causando el cierre de los canales de potasio sensibles a ATP (K_ATP) y la despolarización  de la célula β. La entrada de calcio a través de canales de Ca²⁺ activados por voltaje provoca la liberación  de insulina. En el hígado, la GK tiene un rol  central en la promoción  de la captación  glucosa y su posterior conversión  en glucógeno para el almacenamiento de energía.

La expresión de GK ha sido demostrada  en múltiples poblaciones neuronales en el SNC de ratas, ratones y humanos. En el hipotálamo, es expresada en múltiples núcleos incluyendo  núcleo arcuato (ARC),  núcleo ventromedial (NVM) y área hipotalámica lateral.  Fuera del hipotálamo, la GK ha sido identificada en el núcleo amigdalar  medial (NAM) y en tres núcleos  del complejo vagal dorsal (CVD) del tallo cerebral: el núcleo del tracto solitario (NTS), el área postrema  y el núcleo motor dorsal (NMD) del vago. La GK también es expresada  en células gliales como los tanicitos hipotalámicos. En estas células, la GK tiene un importante rol en la homeostasis energética. El ARNm de la GK neuronal tiene un patrón de “splicing” similar al de la isoforma  pancreática, lo que sugiere un  rol similar de ambas GK. En efecto, el papel de los canales K_ATP y la co-localización de GK y canales K_ATP han sido demostrados en las  neuronas sensibles a glucosa.

La GK juega un rol central en neuronas GE  y GI. El mecanismo sensor de glucosa de las neuronas GE es similar  al de las células β del páncreas. Es decir, la glucosa entra a la neurona  a través de transportadores  GLUT. Una vez en el citosol, la glucosa  es fosforilada  por la GK, aumenta la relación ATP/ADP  y se cierran los canales K_ATP. A continuación la despolarización  neuronal dispara la entrada de Ca²⁺ por canales  de Ca²⁺ dependientes de voltaje, lo cual provoca la secreción de neurotransmisores.  El mecanismo sensor de glucosa en las neuronas GI es menos claro. Sin embargo, los estudios de imagenología revelan que más del 70% de las neuronas GI en el NVM son afectadas por inhibidores de GK, lo que sugiere que la GK está involucrada en el mecanismo sensor en neuronas GI. La actividad de la GK provoca hiperpolarización  e inhibición de la liberación de neurotransmisores en las neuronas GI. La hiperpolarización  ocurre vía estimulación de la Na⁺/K⁺ ATPasa  causada por el incremento de los niveles de ATP en la neurona, inducido por la GK, lo cual provoca la inhibición de la actividad neuronal. El acople de la entrada de glucosa con la glucólisis y la producción de ATP estimula la ATPasa Na⁺/K⁺. Por cada molécula  de ATP, salen de la célula tres iones Na+ y entran dos iones K⁺. Esto causa una disminución  en el voltaje de la membrana  y resulta en hiperpolarización de la célula con la consiguiente disminución de la actividad de la neurona. Los mecanismos neuronales sensores de glucosa también pueden ser independientes de GK. Por ejemplo, la proteína kinasa activada por AMP (AMPK), un sensor de energía celular, también está involucrada en los mecanismos sensores de glucosa. En ratas, la carencia de AMPK en el NVM inhibe la respuesta del glucagón a la hipoglucemia, mientras su activación farmacológica favorece dicha respuesta.  La AMPK también es capaz de despolarizar neuronas GI del NVM en respuesta a los niveles disminuidos de glucosa a través de un mecanismo que involucra al óxido nítrico (NO) y al GMPc, y llevar a cabo el efecto contrario en condiciones de hiperglucemia. Otro importante sensor de energía, per-arnt-sim kinasa (PASK), también juega un rol en los mecanismos neuronales sensores de glucosa. Su expresión varía agudamente de acuerdo con los niveles de glucosa.  El co-transportador de glucosa acoplado a sodio (SGLT) también ha sido involucrado en los mecanismos sensores de glucosa.

El rol más claramente definido de la GK es la regulación de la homeostasis de glucosa. Esto parece ser mediado  principalmente por la GK en el NVM y el NAM a través de la modulación  de la respuesta contrarreguladora (RCR). El NVM y el NAM juegan un rol central en la RCR, un sistema de retroalimentación para contrarrestar la hipoglucemia incrementando la producción de glucosa y limitando su utilización. La RCR se caracteriza por la liberación de glucagón y aumento de la gluconeogénesis y la glucogenolisis. En un ambiente de baja concentración de glucosa, la activación farmacológica de la GK del NVM incrementa la actividad de las neuronas GE y disminuye la actividad de las neuronas GI. Estos hallazgos sugieren que los niveles plasmáticos de glucosa alteran la actividad neuronal vía GK en las neuronas del NVM. En apoyo a esto, los estudios electrofisiológicos  revelan que la inhibición de la GK disminuye la actividad de neuronas GE e incrementa la actividad de neuronas GI.  Es importante  señalar que las neuronas sensibles a glucosa del NVM  también expresan  hexokinasa I, la cual tiene una mayor afinidad por la glucosa. En el NVM, la hexokinasa I parece manejar el metabolismo de la glucosa para mantener un aporte constante de ATP en condiciones de concentraciones extracelulares de glucosa fluctuantes, mientras la GK actúa como un sensor de glucosa  a través del acople bioquímico  del flujo de glucosa  con los procesos celulares  distintos  de la producción celular de ATP. El NVM se relaciona con la periferia a través de conexiones simpáticas y parasimpáticas, las cuales inervan a las células α del páncreas. Estas conexiones podrían ocurrir vía tallo cerebral. La estimulación nerviosa simpática  resulta en secreción de glucagón. Por lo tanto, el NVM puede causar la liberación de glucagón  a través de la inervación simpática esplácnica  de las células α, quizá por liberación de adrenalina y noradrenalina, las cuales actúan sobre receptores α₂ y β₂-adrenérgicos.  Las rutas colinérgicas vagales que forman parte del sistema nervioso  parasimpático también han sido implicadas  en la regulación  de la secreción de glucagón, la activación de receptores muscarínicos M3 resulta en liberación de glucagón.

Estudios recientes reportan la co-localización  de GK y hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH) en neuronas del ARC. La GHRH media la secreción de hormona de crecimiento (GH), la cual es liberada durante la hipoglucemia como parte de la RCR. Aunque menos importante que las respuestas del sistema nervioso simpático como la liberación de glucagón y adrenalina, la liberación de GHRH ha sido implicada en la generación de la RCR y es parte  de la cascada neurohumoral de la RCR. Dado que la actividad de la GK provoca la secreción de neurotransmisores  en otras neuronas, es posible  que la GK del ARC  pueda inducir la liberación de GH  a través de la GHRH en respuesta a una disminución  en los niveles ambientales de glucosa. La GK es expresada en el NAM y puede ser la responsable de la detección de la hipoglucemia y el inicio de la RCR. La privación de glucosa en el NAM durante la hipoglucemia sistémica  amplifica la RCR. Sin embargo, la privación local de glucosa en el NAM por si misma es insuficiente para generar una respuesta hormonal contrarreguladora, lo que sugiere que el mecanismo sensor de glucosa  en el NAM solamente  tiene un rol de contribución con las otras regiones involucradas en la RCR como el NVM.   

El CVD es considerado un importante centro para la homeostasis de la glucosa y ha sido asociado con la RCR. Cada uno de los núcleos del CVD expresa bajos niveles  de GK y rol fisiológico en esos núcleos ha sido poco estudiado. El área postrema puede estar involucrada en la homeostasis de la glucosa, tiene una barrera hematoencefálica incompleta, lo cual permite  la difusión de la glucosa  en el CVD. Adicionalmente, las neuronas sensibles a glucosa del área postrema son estimuladas e inhibidas por concentraciones variantes de glucosa. En el NTS se ha demostrado la existencia de neuronas sensibles a glucosa cuya excitabilidad aumenta y disminuye en respuesta a una elevación  en la glucosa ambiental, lo cual sugiere la presencia de neuronas GE y GI en el NTS. La evidencia experimental apoya la presencia de transportadores GLUT2 y canales K_ATP, dos componentes  sensibles a glucosa, en el NTS. Los transportadores GLUT2 neuronales  han sido involucrados en la RCR pues son activados por la hipoglucemia y contribuyen a la secreción de glucagón. El NMD del vago contiene neuronas sensibles a glucosa y puede formar parte con el NTS del circuito hipotálamo-tallo cerebral-hígado que regula la gluconeogénesis hepática. Algunos estudios  sugieren que el hipotálamo dispara una señal al NTS, posiblemente vía canales K_ATP, que es transferida al NMD, el cual se encarga de transmitirla al hígado  a través de una ruta eferente vagal.

La co-localización  de receptor de la hormona anorexigénica GLP-1, GK y transportadores GLUT ha sido demostrada en áreas del cerebro que controlan la conducta alimenticia y contienen neuronas sensibles a glucosa. La evidencia reciente  relaciona a la GK en el ARC y el hipotálamo lateral (HL) con la regulación del apetito. El ARC ha sido implicado en la regulación del apetito porque contiene  las neuronas orexigénicas neuropeptido Y (NPY) y péptido relacionado con el agouti (AgRP) y las neuronas anorexigénicas  proopiomelanocortina (POMC) y transcripto regulado por cocaína y anfetamina (CART).  La GK es expresada en niveles relativamente altos en el ARC y en las neuronas NPY y POMC. El ARC medial está adyacente  a la eminencia media y  sus capilares forman fenestraciones durante los momentos de baja disponibilidad de glucosa para facilitar el movimiento de glucosa de la circulación sanguínea  al ARC y mantener el aporte de nutrientes cuando la difusión de glucosa a través de los transportadores  GLUT presentes en la barrera hematoencefálica no es suficiente. Entonces, el ARC parce ser un importante  centro sensor de glucosa  pues modula su entrada dependiendo  de la concentración plasmática. El mecanismo que provoca el incremento la ingesta de glucosa una vez activada la GK puede incluir  a los núcleos hipotalámicos paraventricular (NPV) y dorsomedial (NDM). Las neuronas NPY del ARC se proyectan a la división parvocelular del NPV (pNPV) y al NDM. Estas proyecciones influyen en la ingesta de carbohidratos. El NPY puede estimular la ingesta de alimentos a través de la activación de receptores Y1 y Y5 en esos núcleos hipotalámicos. La pNPV a su vez se proyecta al  tallo cerebral provocando la liberación de péptidos orexigénicos en el tracto gastrointestinal a través de eferentes vagales. Sin embargo, esta ruta generalmente está asociada con señales de saciedad.

El centro sensible a glucosa del HL se divide en dos secciones, área hipotalámica lateral (AHL) y área perifornical. Ambas áreas poseen propiedades sensoras de glucosa. La GK es moderadamente expresada en el AHL y no ha sido detectada en las neuronas del área perifornical.  Las neuronas sensibles a glucosa representan aproximadamente 30% de las células  del AHL y su descarga de potenciales de acción aumenta cuando disminuye la concentración de glucosa. El incremento en los niveles de glucosa tiene el efecto opuesto, lo que sugiere  que las células del AHL que responden a la glucosa son del tipo GI. Las neuronas GI del AHL expresan GK, la cual puede jugar un rol en la respuesta a la hipoglucemia. La GK del AHL estimula una respuesta hedónica, lo que sugiere que tiene un rol en la respuesta de recompensa de alimentos. Una alta densidad de neuronas orexinérgica del HL, la mayoría localizadas en el área perifornical,  emiten proyecciones que terminan en el núcleo talámico paraventricular, el cual actúa como centro de relevo en la ruta hacia el núcleo accumbens. Este circuito podría ser potenciado por interneuronas colinérgicas para conducir información relacionada con el balance energético e involucra a la encefalina, entre otros péptidos.  La GK del AHL también puede mediar la ingesta de alimentos  a través de conexiones directas entre AHL y tracto gastrointestinal.

La presencia de GK ha sido detectada en neuronas oxitocina y vasopresina del núcleo supraóptico del hipotálamo. Los incrementos en los niveles de glucosa estimulan la liberación de oxitocina y vasopresina de una manera dependiente de GK, lo que indica que esas neuronas son tipo GE. La expresión de GK también ha sido identificada,  pero en bajos niveles, en otras regiones del cerebro incluyendo corteza cerebral, cerebelo y núcleos del rafe.  Los bajos niveles  de la enzima sugieren  que su función  puede ser de menor importancia en comparación con otras regiones cerebrales.

En conclusión, la GK es un componente clave del mecanismo sensor de glucosa neuronal y es expresada en regiones cerebrales  que controlan diversos procesos homeostáticos. Los primeros trabajos demostraron un importante rol de esta enzima neuronal en el hipotálamo. Los estudios más recientes han extendido su importancia a otras regiones cerebrales. Sin embargo, la investigación sobre el rol  de la GK neuronal  tiene algunas limitaciones. En algunos casos, la manipulación de los niveles  de glucosa puede llevar la glucemia  fuera de los niveles fisiológicos y, por lo tanto, los resultados pueden no ser representativos  del rol de la GK en condiciones normales. Por otra parte, la presencia de GK no necesaria indica que está involucrada en algún proceso neuronal. Es necesario destacar que aunque la glucosa  es una importante señal de energía, otras señales  metabólicas también  juegan un rol en la homeostasis de energía. Por ejemplo, la insulina puede alterar  la despolarización neuronal actuando  sobre los canales K_ATP o vía GLUT4 sensibles a glucosa. Las neuronas hipotalámicas sensibles a glucosa también son sensibles  a cambios en los niveles de ácidos grasos, lactato o cuerpos cetónicos.  No está claro si la GK  juega algún rol  en la respuesta a esas otras señales.

Fuente: De Baker I et al (2016). Insights into the role of neuronal glucokinase. American Journal of Physiology: Endocrinology and Metabolism 311: E42-E55. 

Estrógenos, inflamación y cognición

Líneas de investigación convergentes sugieren que los bajos niveles de estrógenos pueden provocar un declive cognitivo.  Los bajos niveles de estrógenos también han sido implicados en  la etiología de la demencia en la mujer. Por ejemplo, hay una mayor proporción de mujeres con enfermedad de Alzheimer (EA) que hombres y un incremento en el riesgo de demencia en mujeres  con remoción quirúrgica  de los ovarios en la juventud.  La pregunta es sí la relación entre los bajos niveles  de estrógenos, el declive cognitivo y la demencia se debe al efecto directo de la carencia de 17β-estradiol (E2) sobre las neuronas o a efectos indirectos sobre otros sistemas del cuerpo, en particular, el sistema inmune. Para la mayor parte de investigadores, el mecanismo  para el declive cognitivo se debe al efecto directo de los bajos niveles de E2 sobre las neuronas.  Los estudios en roedores hembras  han demostrado que los bajos niveles de E2 tienen efectos directos sobre las neuronas que provocan pérdida de sinapsis  y menor conectividad, las cuales son importantes características  de la EA en humanos. Ratas hembras ovariectomizadas tienen niveles significativamente bajos  de las proteínas sinápticas fosfosinapsina y sinaptofisina en el hipocampo mientras que las ratas ovariectomizadas con tratamiento con E2 exhiben un incremento de espinas en las células piramidales CA1 del hipocampo que forman contactos sinápticos, lo cual resulta en un aumento de la excitabilidad neuronal. Sin embargo, otro posible mecanismo para el declive cognitivo puede ser la inflamación cerebral debida a la repuesta del sistema inmune a la disminución  de los niveles de E2. Las mujeres con ooforectomía así como aquellas como menopausia natural  exhiben inflamación sistémica. Por otra parte, las mujeres con ooforectomía tienen niveles aumentados de marcadores pro-inflamatorios  como interleuquina-1 (IL-1) y factor de necrosis tumoral-α (TNF-α). Los niveles de IL-6, IL-1 y TNF-α también aumentan significativamente en las mujeres menopáusicas cuando disminuye la síntesis de E2. La inflamación también está implicada en la fisiopatología  de la EA en hombres y mujeres, lo que sugiere una relación entre el declive cognitivo, los bajos niveles de estrógenos y la inflamación.

Los estudios recientes que demuestran que las moléculas inflamatorias  pueden atravesar la barrera hematoencefálica (BHE) y están relacionadas con alteraciones cognitivas proporcionan el soporte para la premisa que la inflamación puede mediar la relación entre los bajos niveles de estrógenos  y los cambios cognitivos. Esta idea está elaborada sobre la base  de la evidencia  que la EA es una enfermedad inflamatoria neurodegenerativa como resultado de la disrupción de la BHE.  La BHE  funciona como una barrera física hecha de astrocitos, células endoteliales y pericitos  para impedir el acceso de células inmunes  circulantes al sistema nervioso central.  Las uniones estrechas entre las células endoteliales microvasculares son reguladas por las proteínas transmembrana claudina, ocludina  y moléculas de adhesión, las cuales son importantes para mantener la integridad de la BHE. La BHE normalmente es impermeable para la mayoría de células inmunes, las cuales  no pueden atravesar fácilmente esta barrera. Sin embargo, está demostrado que la disminución de E2 incrementa la permeabilidad de la BHE en ratas y ratones hembras. Más aún, otra investigación en roedores hembras reporta que la degradación de la BHE debida a los bajos niveles de E2 juega un rol en la neuroinflamación.

En general, la literatura sobre mujeres con ooforectomía previa a la menopausia natural  sugiere que hay un declive cognitivo postoperatorio, principalmente  en la memoria verbal. Por el contrario, las mujeres que reciben tratamiento con estrógenos (una inyección mensual de 10 mg de E2valerato) no exhiben ninguna disminución en su rendimiento postoperatorio. Los resultados sugieren que además de la memoria, la cognición en general puede ser comprometida por la ooforectomía. Los estudios epidemiológicos  demuestran una mayor incidencia  de demencia en mujeres con ooforectomía previa a la menopausia natural. Los posibles mecanismos que subyacen a los cambios en la cognición que siguen a la ooforectomía han sido estudiados en modelos animales. Uno de estos mecanismos puede ser la disminución de la conectividad en las regiones cerebrales involucradas en la cognición.  Las ratas hembras ovariectomizadas  tienen una baja densidad sináptica  en la región CA1 del hipocampo y una baja densidad  de espinas dendríticas en las células piramidales CA1 y CA3 del hipocampo  así como en las células piramidales de la corteza prefrontal. Por otra parte, es conocido que el E2 atenúa la muerte neuronal a través de la inhibición de la expresión del gen pro-apoptosis Bcl-2. La perdida de sinapsis es reconocida como la base  de las alteraciones cognitivas  en los pacientes con EA.  Entonces, el E2 evita el declive cognitivo facilitando la comunicación entre las neuronas  a través de un incremento en la densidad de espinas y apoyando la viabilidad de las neuronas  mediante la prevención de la apoptosis.

La menopausia natural es usada a menudo como modelo de un estado sin E2 a pesar que los ovarios continúan produciendo y secretando andrógenos que pueden ser aromatizados a E2. La menopausia natural también está sometida a las percepciones culturales del envejecimiento. Quizá debido a estos aspectos biológicos y socioculturales de la menopausia natural, la literatura  que utiliza este modelo presenta resultados inconsistentes. Los estudios que examinan la cognición  en la menopausia han sido conducidos  comparando diferentes grupos de mujeres en la transición a la menopausia. Un estudio transversal reciente no reporta diferencias cognitivas entre mujeres de las categorías pre-menopausia (edad promedio, 48 años), perimenopausia temprana, perimenopausia tardía o postmenopausia (edad promedio, 52 años) después de ajustar las variables sociodemográficas y los síntomas relacionados con la menopausia. Sin embargo, otros estudios transversales  reportan que las mujeres menopáusicas no tratadas tienen disminución  del aprendizaje verbal,  la capacidad motora y la memoria de trabajo en el primer año  después de la finalización  de los ciclos menstruales.  Algunos estudios longitudinales, también demuestran disminución del aprendizaje verbal en la transición menopáusica. Mientras algunos estudios no reportan ninguna relación significativa entre los niveles endógenos de E2 y la memoria episódica en las mujeres menopáusicas, otros estudios reportan  disminución de la memoria verbal y más síntomas depresivos  asociados con alteraciones cognitivas. 

Aunque la investigación sobre los cambios cognitivos  en primates no humanos es limitada, algunos estudios sugieren  que la reducción  en la secreción de hormonas ováricas  en la menopausia está asociada  con una disminución en la memoria.  Por otra parte, la evidencia sobre la menopausia en  modelos de roedores es difícil de interpretar debido  a que ni las ratas ni los ratones  tienen menopausia como los humanos. Sin embargo, el envejecimiento reproductivo de los roedores se caracteriza  por el cese de los ciclos reproductivos debido a la secreción  de niveles altos o bajos de hormonas ováricas. El primer estado  del envejecimiento reproductivo es el estro persistente, donde los niveles de E2 son elevados, el cual es seguido por un diestro persistente con niveles disminuidos de E2. Este patrón es sustancialmente diferente de los cambios endocrinos observados en mujeres en quienes, después de su último periodo menstrual, disminuyen los niveles de E2. No obstante, los estudios del envejecimiento reproductivo en roedores pueden ser instructivos. Una manipulación experimental en roedores hembras que estimula las condiciones endocrinas de la menopausia humana es la administración de 4-vinil ciclohexano diepóxido (VCD), el cual acelera la atresia folicular para dejar al ovario sin folículos primordiales y primarios. Después del tratamiento con VCD en ratones hembras, aumentan los niveles de hormona estimulante del folículo (FSH) y hormona luteinizante (LH)  y, concomitantemente, disminuyen los niveles de E2, simulando el patrón de los cambios endocrinos en la mujer menopáusica. La disminución gradual e incompleta en los niveles de estrógenos tiene un efecto menor que el cese abrupto  de E2 de la ovariectomía.

Los bajos niveles de estrógenos afectan los niveles de citoquinas  involucradas en la señalización celular, cambios en la actividad de los macrófagos y moléculas de adhesión celular que facilitan la extravasación  de leucocitos a través del endotelio, lo cual contribuye a la inflamación. Es conveniente señalar que algunas veces la inflamación puede ser beneficiosa. Por ejemplo, la neuroinflamación puede atenuar el daño en el cerebro promoviendo la muerte celular controlada y el crecimiento neuronal  después del daño. Algunas proteínas están asociadas con una respuesta anti-inflamatoria como la IL-10 que puede inhibir la regulación de otras citoquinas mediada por el NF-κB o la IL-1RA (interleukin-1 receptor antagonist) que inhibe la IL-1. Sin embargo, la cronicidad del estado inflamatorio puede ser citotóxico e incrementar los niveles  de  TNF-α e IL-1β, implicadas en la patogénesis de la demencia. La evidencia acumulada  sugiere que, en general, la reducción  del E2 endógeno que sigue a la ooforectomía está asociada con un incremento de los marcadores inflamatorios periféricos y el declive cognitivo en mujeres jóvenes. Los niveles de proteína C-reactiva, un marcador de la fase aguda de la inflamación, son tres veces mayores en las mujeres con ooforectomía e histerectomía que en las mujeres con los ovarios intactos. Otros cambios en los marcadores inflamatorios atribuidos a los bajos niveles de E2 incluyen incrementos significativos en células T citotóxicas CD8+ y disminución de las citoquinas IL-4 e interferón gamma (IFN-γ). Los modelos animales para niveles bajos  de E2 e inflamación corroboran  los estudios en humanos e indican que la ovariectomía está asociada con cambios en la respuesta inmune periférica con incrementos en los marcadores inflamatorios. Un posible mecanismo para esto puede ser la inducción  del factor de transcripción NF-κB, el cual regula la expresión de citoquinas, moléculas de adhesión celular, quimioquinas y otros genes inflamatorios. El tratamiento con 17α-etinilestradiol de ratones hembras con   ovariectomía  provoca la supresión de los genes inducidos por el NF-κB. Estos hallazgos sugieren que los efectos de la ovariectomía sobre el incremento de los marcadores inflamatorios subyacen a la relación entre inflamación y niveles bajos de estrógenos.

El sistema nervioso central (SNC) también es afectado por la respuesta del sistema inmune periférico. Las células T están implicadas en la etiología de la esclerosis múltiple (EM), una enfermedad que afecta dos o tres veces más a las mujeres que a los hombres. Una característica de la EM es la desmielinización  de los axones y la inflamación del SNC, lo cual provoca cambios motores, fatiga, dolor, pérdida de la visión y síntomas cognitivos. Los modelos animales de EM causan daño inflamatorio a las vainas de mielina a través de la acción  de las células T “helper” Th1 y Th2. Los bajos niveles de estrógenos también afectan este modelo de enfermedad. Los mecanismos inflamatorios del cerebro son regulados hacia arriba después de la ovariectomía en la medida que las microglias son afectadas por los bajos niveles de E2. La activación de las microglias  está asociada con la capacidad para sintetizar  citoquinas pro –o anti- inflamatorias dependiendo del microambiente del SNC.  Por lo tanto, una manera por la cual los bajos niveles de E2 pueden incrementar la neuroinflamación  es a través de la activación de las microglias.

La menopausia natural provoca cambios en el sistema inmune periférico. Las mujeres menopáusicas (edad promedio, 56 años) muestran incrementos en la adhesión de leucocitos  y la expresión  de IL-8, proteína quimiotáctica de monocitos-1 (MCP-1) y proteína inflamatoria de macrófagos-1α (MIP-1α), lo cual sugiere una inflamación sistémica de  bajo grado.  En comparación con los controles pre-menopáusicos, las mujeres menopáusicas muestran niveles elevados de citoquinas incluyendo IL-6, IL-8, IL-2, IL-4 y factor estimulante de colonias de granulocitos (G-CSF), lo cual sugiere que los bajos niveles de E2 están asociados con un fenotipo pro-inflamatorio. Las mujeres menopáusicas también exhiben cambios inmunes localizados en el cerebro. La observación de inflamación tanto en la periferia como en el SNC en diferentes estados reproductivos  de la vida de una mujer sugiere que el sistema inmune, especialmente marcadores inflamatorios y condiciones inflamatorios son afectados por los niveles de estrógenos.  

Relativamente poca atención han recibido los mecanismos, distintos a los efectos directos sobre las neuronas, por las cuales la caída de los niveles de E2 pueden afectar la cognición. Un ejemplo de tales rutas  puede ser  a través  de los síntomas vasomotores  que se presentan  durante la menopausia, lo cual se manifiesta  en la forma de oleadas de calor y sudoración nocturna. La reducción de E2 con la menopausia natural  o quirúrgica provoca regulación hacia arriba del receptor de serotonina 5-HT_2A en el hipotálamo, cuya activación  está asociada  con una respuesta hipertérmica. En las mujeres con menopausia natural que no utilizan terapia hormonal, la frecuencia  de oleadas de calor  está asociada con menor memoria verbal.  Por otra parte, los síntomas vasomotores se correlacionan  con disminuciones  en dominios cognitivos específicos. Entonces,  así como los bajos niveles de E2 pueden afectar la cognición  a través de la inflamación, los bajos niveles de E2 también pueden afectar indirectamente la cognición a través de las oleadas de calor.

La síntesis de otras hormonas reproductivas, como la progesterona,  es afectada por la menopausia y la remoción  de los ovarios. Hay evidencia que los bajos niveles de progesterona están implicados  en la inflamación y que el reemplazo de progesterona puede atenuar la inflamación en ratas. Después de una lesión cerebral traumática, el tratamiento con progesterona (dos inyecciones de 16 mg/kg) reduce los niveles  de marcadores inflamatorios  en el cerebro de ratas machos. En modelos preclínicos, la progesterona también tiene un efecto positivo sobre el aprendizaje espacial y el rendimiento en pruebas de memoria después de una lesión cerebral traumática en ratas machos. Otro estudio en ratones hembras con implantes de progesterona revela disminución en los niveles de TNF-α y un incremento en la mielinización. Entonces, mientras los bajos niveles de E2 pueden ser responsables de los efectos directos sobre las neuronas, los bajos niveles de progesterona también pueden afectar la inflamación y por consiguiente, la cognición. La testosterona también es secretada por los ovarios y es una hormona importante  para hombres y mujeres. Por lo tanto, no es sorprendente el efecto de los bajos niveles  de testosterona sobre la inflamación como potencial mediador de la neurodegeneración en hombres. En hombres con demencia, los niveles de testosterona libre  son bajos y los hombres con EA tienen altos niveles de LH y una asociación positiva entre LH y TNF-α. En general, las hormonas reproductivas pueden estar implicadas en la etiología de cambios cognitivos  a través de mecanismos inflamatorios.

En conclusión, los efectos de los estrógenos  afectan múltiples  sistemas del cuerpo. Las fluctuaciones en los niveles de estrógenos, a través de la remoción quirúrgica de los ovarios y la menopausia natural  están relacionadas con un perfil inmune alterado y cambios en los procesos cognitivos. La reducción de estrógenos endógenos  está asociada con un incremento de los marcadores inflamatorios. La inflamación puede mediar la relación entre los bajos niveles de estrógenos  y el declive cognitivo.

Fuente: Au A et al (2016). Estrogens, inflamation and cognition. Frontiers in Neuroendocrinology 40: 87-100. 

Esteroides neuroactivos

Los esteroides neuroactivos  son neuromoduladores endógenos que alteran rápidamente la excitabilidad neuronal a través de la unión  a receptores de membrana. Ellos pueden ser sintetizados en el cerebro a partir del colesterol, en cuyo caso son llamados neuroesteroides,  o pueden llegar al cerebro a partir  de órganos esteroidogénicos periféricos como las glándulas suprarrenales y las gónadas y ser metabolizados localmente (ej: aromatización de testosterona en estradiol). La síntesis de esteroides neuroactivos requiere la translocación de colesterol a través de la membrana mitocondrial, lo cual ocurre  mediante un complejo molecular formado por la proteína translocadora  de 18kDa (TSPO), la proteína esteroidogénica reguladora aguda (StAR), la proteína canal de aniones dependiente de voltaje (VDAC) y la proteína transportadora de nucleótidos de adenina (ANT). En la mitocondria, el colesterol  es convertido en pregnenolona por la enzima P450 clivadora de cadena lateral (P450scc), la pregnenolona difunde  en el citoplasma  donde es metabolizada  en diferentes esteroides  neuroactivos.  Aunque la TSPO es altamente expresada  en microglias y astrocitos y menos abundante en neuronas, la neuroesteroidogénesis ocurre primariamente  en las neuronas principales de varias áreas cerebrales  que poseen la maquinaria enzimática necesaria para convertir el colesterol en esteroides neuroactivos.

Aunque el colesterol puede ser sintetizado de novo a partir de acetato en las neuronas y otras células cerebrales, la lipoproteína circulante  es la fuente principal para la neuroesteroidogénesis. La proteína StAR de la membrana externa mitocondrial juega un rol clave en el transporte de colesterol. La StAR interactúa con una maquinaria compleja, de la cual la TSPO  sirve como un portal  para movilizar el colesterol a la membrana interna donde es clivada la cadena lateral por la P450scc. Como resultado, el colesterol es convertido en pregnenolona soluble. La pregnenolona puede ser oxidada a progesterona bajo la acción de la 3β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (3β-HSD) o salir de la mitocondria sin necesidad de transporte activo. En el cerebro de la rata, la 3β-HSD también está presente en el retículo endoplásmico. Sin embargo, la mitocondria parece poseer un ambiente más favorable para una reacción oxidativa porque la relación NAD⁺/NADH es aproximadamente dos ordenes de magnitud  mayor que en el retículo endoplásmico. Pregnenolona y progesterona  son sustratos para la P450c17 en el retículo endoplásmico, donde son convertidas en dehidroepiandrosterona   (DHEA) y androstenediona, respectivamente.  La DHEA puede ser oxidada  a androstenediona bajo la catálisis de la 3β-HSD y luego la androstenediona es  convertida en testosterona o estrona y posteriormente en 5α-dihidrotestosterona  y 17β-estradiol, respectivamente.

La TSPO es una estructura transmembrana  localizada en la membrana externa e interna de mitocondrias y su expresión es enriquecida  en órganos esteroidogénicos. La TSPO tiene una secuencia de aminoácidos  en el extremo C-terminal identificada como un sitio de unión de colesterol, la cual juega un rol funcional en el transporte de colesterol a través del espacio hidrofílico intermembrana.   Hasta ahora, se han identificado numerosos ligandos endógenos de la TSPO, incluyendo al inhibidor de la unión de diazepam, triakontatetraneuropéptido, la fosfolipasa A2,  y la protoporfirina IX, los cuales tienen la capacidad para estimular  el transporte de colesterol en mitocondrias y la neuroesteroidogénesis. Los estudios estructurales indican que la unión del ligando  estabiliza la estructura terciaria de la TSPO facilitando el transporte de colesterol. Numerosos estudios han demostrado la capacidad de los ligandos de TSPO para incrementar la producción de esteroides neuroactivos en el cerebro a través del aumento del aporte de colesterol a la P450scc en la membrana interna mitocondrial, la etapa limitante en la neuroesteroidogénesis. La TSPO, además del transporte de colesterol, ha sido implicada en otras funciones mitocondriales, incluyendo la respiración mitocondrial y la producción de ATP, las cuales pueden contribuir a las acciones protectoras de los ligandos de la TSPO. Los ligandos de la TSPO  tienen diversos beneficios neuropsiquiátricos, incluyendo propiedades ansiolíticas, anti-depresivas y estimuladoras de la cognición, las cuales han sido atribuidas  a su capacidad  para incrementar los niveles  de 3α,5α-THP, progesterona y testosterona.

Los esteroides neuroactivos más potentes son los metabolitos de la progesterona (3α,5α)-3-hidroxipregnan-20-ona (3α,5α-THP o alopregnanolona) y (3α,5α)-3,21-dihidroxipregnan-20-ona deoxicorticosterona (DOC) (3α,5α-THDOC o alotetrahidrodeoxicorticosterona), los cuales aumentan la neurotransmisión mediada por el receptor GABA_A y producen efectos neuroconductuales inhibidores.   Los metabolitos 3α,5α-reducidos de testosterona y DHEA, 3α,5α-androstandiol y 3α,5α-androsterona, respectivamente, también actúan sobre  receptores GABA_A aunque con menos potencia. Los sitios de unión específicos  para esteroides neuroactivos  han sido identificados en las subunidades α del receptor GABA_A que modulan alostéricamente  la unión a los sitios de reconocimiento de GABA y benzodiacepinas. En concentraciones nanomolares, la 3α,5α-THP aumenta la afinidad del GABA por su receptor, mientras, en concentraciones micromolares activa directamente el canal receptor. La 3α,5α-THP y la 3α,5α-THDOC modulan  receptores GABA_A tanto sinápticos como extrasinápticos, aunque con mayor potencia a los receptores extrasinápticos que contienen subunidades δ. La 3α,5α-THP también modula receptores de serotonina tipo 3, receptores nicotínicos de acetilcolina  y canales de calcio activados por voltaje, aunque con potencia micromolar. Otro sitio de acción de la 3α,5α-THP recientemente identificado es  el receptor nuclear xenobiótico pregnano  (PXR). Por el contrario, el derivado sulfatado de la pregnenolona inhibe la liberación de GABA y ejerce acciones excitadores al  unirse con alta afinidad a –y promover el tráfico de- receptores NMDA. Aún no está claro cómo los esteroides neuroactivos actúan sobre sus receptores de membrana  y sí es a través de mecanismos autocrinos o paracrinos o por difusión a través de la membrana celular.

El metabolismo de 3α,5α-THP y/o 3α,5αTHDOC es controlado principalmente por un  “switch” molecular   dual que comprende   la 17β-HSD10 y la 3α-hidroesteroide deshidrogenasa tipo III (AKR1C2) localizadas en distintos compartimentos subcelulares, mitocondria y retículo endoplásmico, respectivamente. La 17β-HSD10, codificada por el gen HSD17B10 y clonada en cerebro humano en el año 1997, juega roles esenciales en la neuroesteroidogénesis así como en la ruta de degradación de la isoleucina. La 17β-HSD10 puede catalizar la reacción oxidativa  de 17β-estradiol  en estrona. Es bien conocido que el 17β-estradiol  exhibe significativos efectos neuroprotectores. Por lo tanto, los elevados niveles cerebrales   de 17β-HSD10 reportados en la enfermedad de Alzheimer pueden tener un rol en la patogénesis de la enfermedad como resultado del desbalance  del metabolismo de esteroides neuroactivos. Por otra parte, un andrógeno débil, 3α-androstanediol, puede ser convertido en un andrógeno más potente, 5α-dihidrotestosterona, bajo la catálisis de la 17β-HSD10.

El PXR ha sido identificado como un factor que regula hacia arriba el metabolismo del colesterol. El PXR es un receptor nuclear que une esteroides e influye en la transcripción  de enzimas citocromo P450 involucradas en el metabolismo de muchos factores incluyendo colesterol  y esteroides. Aunque el PXR es más conocido por su rol en el hígado, ha sido identificado en  regiones cerebrales involucradas en la motivación, el afecto y la cognición, como el área tegmental ventral, el hipocampo y la corteza cerebral. El PXR es requerido para la producción de 3α,5α-THP. Los efectos del PXR pueden involucrar blancos de la 3α,5α-THP como los receptores NMDA y GABA_A.

Los esteroides neuroactivos, como resultado de sus acciones sobre receptores GABA_A, ejercen acciones psicofarmacológicas con efectos ansiolíticos, antidepresivos, anticonvulsivantes, sedantes, anestésicos, analgésicos y amnésicos. Más aún, la 3α,5α-THP promueve la conducta sexual de roedores hembras. Los esteroides neuroactivos también poseen propiedades recompensa en roedores y pueden modular  la ingesta de etanol o cocaína. La administración aguda de varias drogas de abuso como alcohol, nicotina, morfina, ácido γ-hidroxibutírico o ∆9-tetrahidrocanabinol, incrementa las concentraciones cerebrales y plasmáticas de 3α,5α-THP y/o sus precursores progesterona y pregnenolona en ratas o ratones y este incremento  contribuye a sus efectos recompensa. Además de estos efectos psicofarmacológicos, los esteroides neuroactivos ejercen efectos neuroprotectores, neurotróficos  y anti-apoptosis en modelos animales  de trauma cerebral, neuropatía periférica, isquemia cerebral, esclerosis múltiple, enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Parkinson.

Las concentraciones de esteroides neuroactivos fluctúan  en respuesta a condiciones fisiológicas como el estrés, el desarrollo, el ciclo ovárico, el embarazo y estas fluctuaciones  han sido asociadas  con cambios en la plasticidad del receptor GABA_A. En el estrés agudo, los esteroides neuroactivos aumentan en ratas y humanos y este efecto puede representar un mecanismo homeostático para restaurar la función del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal. La respuesta al estrés de los esteroides neuroactivos es un fenómeno complejo que involucra adaptaciones en la plasticidad del receptor GABAA y presenta diferencias entre las especies. Las concentraciones de esteroides neuroactivos también fluctúan  a través del desarrollo. En la rata, los niveles cerebrales  de 3α,5α-THP son elevados  en el embrión, disminuye alrededor del nacimiento, muestran un incremento transitorio  en los días 10-14 postnatales y se mantienen bajos hasta la pubertad. El inicio de la pubertad está asociado con una rápida elevación  en los niveles de 3α,5α-THP y un marcado incremento en receptores α4β8GABA_A, el principal blanco de la 3α5α-THP. Más aún, los esteroides neuroactivos fluctúan a través del ciclo ovárico: los niveles de progesterona y 3α,5α-THP incrementan en el cerebro de ratón durante el diestrus y en plasma de mujer  durante la fase luteal del ciclo menstrual. Estos cambios se acompañan con incremento en la expresión de la subunidad β y disminución de la expresión de la subunidad γ2 del receptor GABA_A, con un incremento posterior en la inhibición tónica  y disminución de la ansiedad. En el embarazo, los niveles de progesterona y 3α,5α-THP aumentan marcadamente en ratas y mujeres y disminuyen  antes del parto, retornando a los niveles basales  2 días después del parto.

El descubrimiento  de las propiedades neuroprotectoras, neurotróficas y anti-inflamatorias de los esteroides neuroactivos ha propiciado  numerosas investigaciones sobre su potencial terapéutico en las enfermedades neurodegenerativos. La alteración de la neuroesteroidogénesis ha sido reportada en modelos animales  y humanos con esclerosis múltiple, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson y trama cerebral, lo que sugiere que los esteroides neuroactivos pueden contribuir a los procesos neuropatológicos de estas enfermedades. En humanos, la reducción en el contenido de 3α,5α-THP se correlaciona con la severidad de la enfermedad de Alzheimer. Entonces, restaurar las concentraciones  de esteroides neuroactivos  puede representar un procedimiento terapéutico útil para estos desordenes neurodegenerativos.

En conclusión, los esteroides neuroactivos son neuromoduladores sintetizados en el cerebro que alteran la excitabilidad  neuronal. Además de la regulación de la expresión de genes, los esteroides neuroactivos  inducen potentes efectos ansiolíticos, antidepresivos, anticonvulsivantes, sedantes, analgésicos y amnésicos, principalmente a través de la interacción con el receptor GABA_A. Ellos también ejercen efectos neuroprotectores, neurotróficos y anti-apoptosis en varios modelos animales de enfermedades neurodegenerativas. Los esteroides neuroactivos regulan muchas funciones fisiológicas como la respuesta al estrés, la pubertad, el ciclo ovárico, el embarazo y la recompensa. Sus niveles son alterados en varias enfermedades neuropsiquiátricas y neurológicas y los estudios preclínicos y clínicos enfatizan un potencial terapéutico de los esteroides neuroactivos para estas enfermedades. Por lo tanto, la modulación de la neuroesteroidogénesis  para restaurar la alteración en el tono endógeno de esteroides neuroactivos puede representar un beneficio terapéutico.

Fuente: Porcu P et al (2016). Neurosteroidogenesis today: novel targets for neuroactive steroid synthesis and action and their relevance for translational research. Journal of Neuroendocrinology 28:1-19.