Miostatina y metabolismo de glucosa

El ejercicio tiene beneficios positivos  para la composición del cuerpo, la sensibilidad a la insulina, la salud cardiovascular y la cognición.  Hay  una larga historia  de investigación en los mecanismos de adaptación al ejercicio, pero recientemente, los efectos de los péptidos secretados  han recibido particular interés. El músculo esquelético puede incrementar su aporte de energía  a través de la contracción movilizando sus propios depósitos  de glucógeno o lípidos  y a través del incremento en la translocación de transportadores de glucosa a la superficie celular. Sin embargo, el músculo es incapaz de sintetizar glucosa y depende de la captación de la glucosa circulante cuando se vacían los depósitos  de glucógeno. La lipólisis en el tejido adiposo es otra fuente  de energía para el músculo. Es posible que el músculo ejerza efectos endocrinos sobre otros tejidos durante el ejercicio  y con la adaptación al ejercicio crónico  puede ajustarse a las demandas variables de sustratos. En el año 2003, Pedersen y Col sugirieron el término “mioquina”  sobre la base de un trabajo que demuestra la producción y secreción de IL-6 por la contracción muscular durante el ejercicio y los efectos de la IL-6  en la promoción de la lipólisis y la oxidación de lípidos. Una mioquina fue definida  originalmente como una hormona endocrina que es producida por el músculo, liberada en la circulación y  actúa  sobre otro tejido. De esta manera, una mioquina puede  regular en otros tejidos   procesos como la lipólisis, la degradación de glucógeno, la producción endógena  de glucosa, el apetito o la secreción de hormonas. Actualmente,  el término mioquina se  refiere a cualquier proteína producida por el músculo, secretada o no en la circulación, que puede actuar de manera endocrina o autocrina/paracrina. Además de la IL-6 y otras IL, la lista de mioquinas incluye  irisina, mionectina, miembros de la familia del factor de crecimiento fibroblástico, miembros de la familia del factor de crecimiento transformante y otros.  

¿Cuáles de los factores producidos por el músculo son  reguladas hacia abajo con el ejercicio?  El estudio de intervención MyoGlu examinó los cambios en la expresión de genes con el ejercicio para encontrar los mediadores de los efectos metabólicos del ejercicio. Los sujetos del estudio MyoGlu fueron hombres sedentarios de mediana edad, de los cuales la mitad tenía elevada la glucosa en ayunas o alguna alteración de la prueba de tolerancia a la glucosa. Todos los sujetos tenían una sesión diaria de 45 minutos de ejercicio en bicicleta por 12 semanas. Se tomaron biopsias del músculo vastus lateralis y del tejido adiposo subcutáneo abdominal y se realizó análisis por “clamp hiperinsulinémico-euglémico” para medir la sensibilidad a la insulina  basal y al final de las 12 semanas de entrenamiento.  De los genes que codifican proteínas secretadas que fueron regulados hacia abajo  por al menos 50% en músculo esquelético, el factor de crecimiento miostatina (miembro de la familia del factor de crecimiento transformante)  fue el más reducido al final de las 12 semanas de entrenamiento.  El gen miostatina es un regulador negativo  de la masa muscular expresado predominantemente en músculo esquelético y con niveles más bajos  de expresión en el tejido adiposo. En ratones, la pérdida de función de la miostatina reduce el tejido adiposo y mejora la sensibilidad a la insulina.

Aunque aparentemente la miostatina tiene efectos metabólicos positivos en ratones con incremento de la masa muscular, hay algunos estudios que sugieren  un rol  de la miostatina  en el metabolismo  separado de la regulación del tamaño del músculo. En este contexto, varios estudios han demostrado que la expresión del gen miostatina  en músculo esquelético  es elevada en ratones o humanos con resistencia a la insulina u obesidad. Por ejemplo, un estudio encontró que la expresión del gen miostatina  en diabetes tipo 2 es alta en comparación con sujetos controles  a pesar de tener similar masa magra. Asimismo, la expresión del gen miostatina en adultos mayores se correlacionó negativamente  con la utilización  de glucosa en respuesta  a la insulina.  En roedores, los efectos de la miostatina sobre el metabolismo de la glucosa  son mixtos. Generalmente, la masa muscular de roedores es muy sensible  a los inhibidores de miostatina por lo  que es difícil separar  el efecto sobre la hipertrofia del efecto sobre el metabolismo.  El tratamiento local de músculo de ratón con inhibidor de miostatina por 17 días  incrementó la captación basal -y estimulada por insulina- de glucosa en un mayor grado que el incremento de masa muscular. Esto podría interpretarse como un efecto de la miostatina  sobre el metabolismo aunque  no necesariamente se trata de un efecto directo.

Por otra parte, un estudio reciente encontró que la expresión de miostatina disminuye con el ejercicio por 12 semanas tanto en sujetos diabéticos como en los controles, aunque la disminución fue mayor en los controles. Esta disminución en la expresión de miostatina  con el ejercicio confirma estudios previos y proporciona  más evidencia  que la expresión de miostatina  no está estrictamente vinculada con la masa magra porque los investigadores no encontraron cambios en la masa libre de grasa después de  12 semanas de entrenamiento. El análisis de correlación demostró que la expresión de miostatina  en músculo  se correlaciona negativamente con la tasa de infusión de glucosa. En otras palabras, los sujetos con mayor expresión de miostatina  necesitan menos glucosa para mantener normal la glucemia en el estado hiperinsulinémico y por lo tanto son menos sensibles a la insulina que los sujetos con menor expresión de miostatina.

Los estudios in vitro sobre los efectos de la miostatina en el metabolismo de la glucosa indican que la captación de glucosa estimulada por insulina  en miotubos  de hombres adultos no es inhibida por la miostatina.  La fosforilación  de la Akt con o sin estimulación con insulina no fue afectada por el tratamiento con miostatina. Esto sugiere que la correlación entre expresión del gen miostatina  y sensibilidad a la insulina  no es mediada por una interacción directa  entre la miostatina y las rutas de señalización  de la insulina. Sin embargo, estos estudios demostraron que la miostatina afecta el metabolismo de la glucosa. La captación de glucosa comienza 4 horas  después de la adición de miostatina  con el mayor incremento 24 horas después del tratamiento con miostatina. Este resultado sugiere que el efecto sobre la captación de glucosa puede ser vía transcripción  y traslación  más que un efecto directo sobre la translocación de transportadores de glucosa. Adicionalmente, el incremento en la captación basal de glucosa por la miostatina  fue aditivo con el de la insulina. Esto demuestra que  la miostatina incrementa la captación de glucosa  por una ruta de señalización separada de la de insulina. Al menos una parte de la glucosa extra tomada por los miotubos después del tratamiento con miostatina  entra en la glucolisis y es oxidada. Por otra parte, el análisis de la expresión de genes en el músculo  demostró una correlación negativa de la expresión de miostatina  con genes de las rutas de la fosforilación oxidativa, el ciclo de ácido cítrico y el metabolismo de ácidos grasos. Estos resultados  demuestran que la miostatina incrementa  la utilización neta de energía  en los miotubos humanos por un efecto sobre la captación y oxidación de glucosa.

Sí la miostatina no regula la señal de insulina y la masa magra no cambia, ¿cómo se relaciona la expresión del gen miostatina con la tasa de infusión de glucosa  in vivo? La expresión del gen miostatina se correlaciona negativamente con la expresión de genes para la cadena pesada 7 de miosina tipo lenta, fosforilación oxidativa y metabolismo de ácidos grasos, pero positivamente con la expresión del gen de la cadena pesada 1 de miosina tipo rápida. Esto es consistente con los mayores niveles de la expresión de  miostatina en músculos glucolíticos rápidos  en comparación con músculos oxidativos lentos.  Las fibras oxidativas lentas son conocidas por ser más sensibles a la insulina y los pacientes diabéticos proporcionalmente tienen más fibras glucolíticas rápidas  que fibras oxidativas lentas. Es posible que la correlación de miostatina con  la  tasa de infusión de glucosa nos diga más  acerca de la distribución del tipo de fibras  del sujeto que acerca  del rol de la miostatina en la sensibilidad a la insulina. Esto podría ser una explicación para la asociación negativa entre la expresión del gen miostatina y la tasa de infusión  de glucosa  antes y después del entrenamiento.    Entonces,  menos fibras glucolíticas rápidas y más fibras oxidativas lentas podría explicar tanto la mayor sensibilidad a la insulina como la menor expresión  del gen miostatina con el ejercicio.

El rol de la miostatina en el tejido adiposo de humano ha recibido relativamente poca atención. La expresión de miostatina en el tejido adiposo se correlaciona positivamente con marcadores de sensibilidad a la insulina como  insulina en ayunas y  HbA1c y con la expresión de genes para la señal de la insulina. A diferencia del músculo esquelético, en tejido adiposo, la miostatina sólo se correlaciona débilmente con la tasa de infusión de glucosa, quizá reflejando la dominancia del músculo esquelético en este parámetro. Sin embargo, el rol de la miostatina en la regulación del metabolismo de los adipocitos no está claro.  Muchas investigaciones han demostrado que la miotastina inhibe la adipogenesis. Un modelo de ratón transgénico  que sobre expresa miostatina en el tejido adiposo  tiene adipocitos más pequeños y menos diferenciados con sensibilidad a la insulina aumentada. Entonces,  la miostatina puede  regular  la adipogénesis para mantener  una porción de adipocitos en un estado temprano de diferenciación  que es altamente sensible a la insulina más que regular la sensibilidad a la insulina  per se en los adipocitos.

Un aspecto relevante en la biología de la miostatina es el complejo proceso multi-etapa de la producción del ligando que se une al receptor. La miostatina  de longitud completa se dimeriza y es clivada en un sitio de procesamiento interno  para producir una pro-región amino terminal y un  dímero carboxi-terminal  unidos por puente disulfuro. El dímero carboxi-terminal  es la forma madura activa de la miostatina que puede unirse al receptor y es la forma  usada para experimentos in vitro  y para algunos experimentos in vivo. Sin embargo, no es la forma de miostatina secretada por las células. La miostatina producida endógenamente  es secretada en un complejo latente con la pro-región amino terminal  unida no covalentemente  al dímero carboxi-terminal maduro. Este complejo latente  no puede unirse al receptor y debe ser activado  por un segundo evento de clivaje por  proteasa en la pro-región para liberar el dímero maduro activo.  Por lo tanto, hay varias etapas  para regular la señal miostatina.  Presumiblemente, la mayor parte de la miostatina circulante es producida por el músculo esquelético.  Dado que la expresión del gen miostatina  disminuye con el ejercicio, los niveles de miostatina también pueden ser regulados  a nivel de traslación  o degradación. Por otra parte, el incremento en la miostatina circulante  a pesar  de la reducción de la expresión del gen miostatina en músculo esquelético sugiere que  también puede ser regulado cuanta miostatina  se mantiene en la matriz extracelular  y cuanta es secretada en la circulación. 

Hay redundancia  en cuanto a inhibidores, receptores y mediadores  de la señal entre la miostatina y otros  factores de crecimiento relacionados. Es posible que algunos efectos in vitro  o in vivo  de la forma activa de miostatina  no sean los que normalmente produce la miostatina in vivo pero son similares a los de un factor relacionado que no se encuentra en el complejo latente,  como la activina. Cuáles tejidos pueden activar la miostatina circulante  a través del clivaje de la pro-región  es algo que aún no está completamente claro, un efecto clave para establecer la función endocrina de la miostatina.

En conclusión, la expresión del gen miostatina  está asociada con efectos opuestos sobre la sensibilidad a la insulina  en  músculo esquelético y tejido adiposo en humanos. La señal miostatina  no interactúa directamente con la señal insulina.  Sin embargo, hay un rol para la miostatina  en la regulación de la demanda de energía inducida por la contracción a través de otros mecanismos locales o endocrinos. La pérdida de función de la miostatina  reduce el tejido adiposo y mejora la sensibilidad a la insulina en ratones.

Fuente: McPherron AC (2016). The ups and downs of exercise and insulin sensitivity: a role for the myokine  myostatin in glucose metabolism? Acta Physiologica 217: 6-10.

Microbioma y hueso

El microbioma  humano está formado por las especies microbianas que habitan en el cuerpo y sus productos secretados.  Cada individuo hospeda trillones  de microbios en su organismo. La microbiota  confiere beneficios  al huésped incluyendo la producción de vitaminas,  extracción  de nutrientes y energía de la dieta, función metabólica, regulación de la inmunidad innata y adaptativa y protección contra organismos patógenos.   Las alteraciones en el microbioma han sido asociadas con numerosas condiciones crónicas incluyendo enfermedades intestinales inflamatorias, obesidad, enfermedad metabólica, malnutrición, desordenes neurológicos, cáncer y enfermedad cardiovascular. El microbioma humano se establece muy pronto después del nacimiento, usualmente por colonización por la flora microbiana presente  en el canal del parto. La microbiota es posteriormente impactada por la dieta  y la exposición ambiental  y alcanza un estado estacionario  aproximadamente a los tres años de edad. La mayor parte del microbioma humano  se localiza  en el sistema gastrointestinal. La microbiota intestinal humana  consiste de más de mil especies microbianas, muchas de ellas  aún no están bien caracterizadas. Por otra parte, aproximadamente dos terceras partes de las especies microbianas es propia de cada individuo.

La microbiota intestinal humana es dominada por organismos de  phyla  Bacteroidetes y Firmictues. Una vez establecida  en un individuo, los contenidos de la comunidad microbiana  intestinal entra en un equilibrio dinámico  y cientos de especies diferentes compiten  e interactúan unas con otras  y con  el sistema inmune del huésped  en complejas redes  de interdependencia. La abundancia relativa  de especies  en la flora intestinal  fluctúa día a día  en base a los cambios en la dieta, pero en general retiene  su estado constitutivo  basal  a pesar de estas disrupciones transitorias. Por ejemplo, después de un estímulo como el tratamiento con antibióticos o una corta infección gastrointestinal, los contenidos de la microbiota intestinal retornan a su estado inicial, aunque la comunidad microbiana intestinal resultante  puede ser menos estable que antes del tratamiento y pueden ocurrir pequeños cambios en el contenido (especies con funciones similares pueden reemplazar a otras). Por lo tanto, aunque el microbioma intestinal es relativamente estable, puede cambiar por largos periodos de estímulo sostenido o por factores que producen grandes perturbaciones en la flora intestinal. Los factores que han demostrado que alteran  el estado estacionario de la flora intestinal incluyen a el envejecimiento, la dieta, el ambiente, el estado fisiológico y el tratamiento oral con antibióticos.

La microbiota intestinal puede influir en el tejido óseo  por tres mecanismos: regulación de la absorción de nutrientes  en el epitelio intestinal, regulación del sistema inmune y translocación de contenidos microbianos  a través de la barrera endotelial  intestinal.  Está bien establecido que las alteraciones en el microbioma intestinal  puede alterar la absorción de nutrientes, incluyendo la capacidad del huésped para absorber calorías de los alimentos. Por ejemplo, bajas dosis de antibióticos  promueven  un incremento en el crecimiento animal y en el tamaño del hueso  a través de la alteración  de la flora intestinal y el incremento   de la absorción de calorías de los alimentos. Adicionalmente, la microbiota intestinal ayuda en el metabolismo microbiano y del huésped  a través de la biosíntesis de vitaminas, incluyendo cobalamina (B12), biotina (B7), folato, tiamina (B1), pirodoxal fosfato, ácido pantoténico (B5), niacina (B3), vitamina K y tetrahidrofolato. Estas vitaminas son absorbidas en el intestino y distribuidas  en el cuerpo  a través de la circulación  sistémica. Las vitaminas metabolizadas en el intestino  tienen varias funciones en el cuerpo, incluyendo regulación  del metabolismo  de proteínas, ayuda en la formación  de eritrocitos, mantenimiento  del sistema nervioso central, metabolismo de carbohidratos y lípidos, regulación de la división celular, regulación de la coagulación sanguínea y mantenimiento de  la masa ósea. También es conocido que el microbioma intestinal influye en el desarrollo y función del sistema inmune del huésped. El sistema inmune es estimulado  en la barrera endotelial intestinal por metabolitos liberados por la flora intestinal así como por el contacto directo entre los microorganismos y las células inmunes.

Las interacciones entre la flora intestinal  y el sistema inmune son reciprocas, el sistema inmune regula la composición y localización  de comensales, mientras las interacciones con la flora intestinal son cruciales para  el desarrollo y función de un sistema inmune efectivo. Las células inmunes, incluyendo células T y células dendríticas, interactúan con la flora microbiana en el intestino y migran a los ganglios linfáticos para activar respuestas inmunes  pro o anti-inflamatorias. Estas células también pueden liberar mediadores pro o anti-inflamatorio solubles  o citoquinas en la circulación  y por este mecanismo modular el remodelado óseo. Adicionalmente, las células inmunes activadas  pueden migrar a los huesos donde pueden regular directamente el remodelado óseo a través de la liberación de productos, incluyendo al potente factor inductor de osteoclastos, ligando activador del receptor de NF-κβ (RANKL) u otras moléculas activas del hueso. Los ácidos grasos de cadena corta derivados de bacterias son conocidos reguladores de células inmunes. Ellos son sintetizados por fermentación  bacteriana de carbohidratos en el colon donde pueden actuar como fuente de energía para las células epiteliales pero también pueden promover la inducción y actividad  de células T reguladoras y de esa manera  inhibir las respuestas de las células inmunes. La flora intestinal también compite con organismos invasores por los nutrientes y produce moléculas antimicrobianas  y metabolitos que dificultan la supervivencia de patógenos y  promueven uniones estrechas entre las células epiteliales  para prevenir la translocación de   patógenos en la circulación sistémica. Asimismo, el microbioma intestinal  tiene un rol crucial  en el desarrollo y  control del sistema inmune  regulando y suprimiendo respuestas inflamatorias  a productos alimenticios  que pueden servir como antígenos ingeridos.

El microbioma intestinal también influye sobre órganos distantes introduciendo patrones moleculares asociados a microbios (MAMP)  en la circulación sistémica. Lipopolisacáridos, peptidoglucanos, flagelina y ADN libre  secretados por las bacterias o retenidos después de la muerte celular  son suficientemente pequeños para atravesar la barrera endotelial intestinal y entrar en la circulación sistémica. Una vez distribuidos en órganos remotos como los huesos, los MAMP  pueden activar respuestas inmunes  para producir inflamación local. En el hueso, los MAMP tienen un efecto directo  sobre el remodelado óseo  a través de la estimulación  de receptores inmunes innatos  en las células óseas, incluyendo al receptor similar a toll 2 (TLR2) que responde a peptidoglucanos, el TLR4 que responde a lipopolisacáridos y el TLR5 que responde a flagelina. Además de la translocación de MAMP, las bacterias viables pueden  atravesar la barrera  endotelial intestinal a través de un proceso conocido como translocación bacteriana. En los individuos con un sistema inmune normal, la translocación bacteriana es rara, pero en estados de enfermedad, la inflamación intestinal  puede incrementar la permeabilidad intestinal y permitir a las bacterias  cruzar la barrera endotelial. La translocación de bacterias gastrointestinales ha sido detectada  en paciente con cáncer intestinal, enfermedad de Crohn, obstrucción intestinal, colitis ulcerativa, shock hemorrágico y trauma. Las bacterias translocadas  usualmente son rápidamente destruidas por las células inmunes, pero aun después de la muerte celular, pequeñas cantidades de MAMP pueden ser liberadas en la circulación sistémica. Algunas bacterias que cruzan la barrera endotelial intestinal pueden penetrar  células nativas  y sobrevivir  en ellas al tiempo que eluden la respuesta inmune.  No está claro  si las bacterias translocadas  son capaces de migrar a órganos distantes (presumiblemente mientras ocupan una célula huésped), aunque la evidencia que la infección de implantes ortopédicos  pueden comenzar con una “siembra hematógena” demuestra que las bacterias pueden viajar hasta el hueso a través de la circulación sistémica.

No hay una causa única de osteoporosis, por el contario múltiples mecanismos han sido involucrados  en la patogénesis  de la osteopenia, incluyendo pobre adquisición de masa ósea durante el crecimiento del esqueleto, limitada actividad física, pobre historia nutricional, alteraciones en los niveles de esteroides sexuales y factores genéticos. Adicionalmente, la osteopenia puede ser secundaria  a otras condiciones, incluyendo desordenes inflamatorios como la enfermedad intestinal inflamatoria o tratamiento farmacológico con glucocorticoides. Hasta el presente, hay relativamente poca evidencia directa  que relacione a la osteoporosis o la osteopenia con el estado del microbioma intestinal, aunque hay sustancial evidencia indirecta. Por ejemplo, la diversidad de la microbiota intestinal cambia con la edad y se correlaciona negativamente  con los índices clínicos  de fragilidad  ósea en la vejez. Por otra parte, muchos de los factores de riesgo asociados con el desarrollo de osteoporosis y osteopenia también están asociados  con alteraciones en el microbioma intestinal. Investigaciones recientes en modelos animales demuestran que la presencia y contenidos  de la microbiota intestinal influyen en la acumulación de masa ósea  durante el crecimiento. Sin embargo, hay datos conflictivos con respecto a los efectos de un estado libre de gérmenes sobre el hueso. Uno de los estudios inicial demostró incremento de la densidad mineral ósea, con aumento de la superficie mineralizada en comparación con animales convencionales. El fenotipo óseo de ratones libre de gérmenes  ha demostrado ser  reversible con la reconstitución  de la microbiota intestinal con flora de un animal convencional. Por el contrario, un estudio con ratones machos BALB/c reporta que los animales  libres de gérmenes  tienen reducida la longitud femoral, el grosor cortical y la densidad mineral ósea en comparación con animales convencionales.

Las diferencias observadas entre diferentes cepas de ratones aumenta la posibilidad que el microbioma pueda contribuir  a las diferencias  en el fenotipo óseo  entre algunas de estas cepas. Los ratones con deficiencia de TLR5  proporcionan un ejemplo de cómo  el fondo genético puede alterar el microbioma y órganos distantes del intestino. El TLR5 es el receptor inmune innato  para la flagelina bacteriana  y no tiene ligando endógeno conocido. Por lo tanto, los cambios en el fenotipo en el ratón con deficiencia en TLR5 son completamente dependientes  de las interacciones huésped-microbioma.  La incapacidad para responder a la flagelina provoca alteraciones en la microbiota intestinal incluyendo la reducida  estabilidad de la comunidad microbiana y la incrementada  expresión de flagelina por la flora bacteriana. La incrementada expresión de flagelina provoca un aumento en la motilidad bacteriana  y en  la translocación  de bacterias a través  de la barrera endotelial donde la bacteria puede disparar  una respuesta inmune provocando inflamación en el epitelio intestinal. Como resultado de la inflamación intestinal, el ratón con deficiencia de TLR5  desarrolla débil resistencia a la insulina, inflamación sistémica de bajo grado y leve incremento en la adiposidad. Aunque el fenotipo óseo de ratones con deficiencia de TLR5  aún no ha sido caracterizado, está claro  que la pérdida de TLR5  puede provocar alteraciones en el microbioma que tienen efectos sobre  órganos distantes, apoyando la idea que algunos ratones pueden tener  un fenotipo óseo dependiente de microbioma. La regulación diferencial  del microbioma entre ratones  puede explicar porque ratones BALB/c libres de gérmenes muestran masa ósea reducida  en comparación con animales convencionales,  mientras ratones C57B1/6 tienen masa ósea aumentada cuando crecen en un ambiente libre de gérmenes. En humanos adultos, la densidad mineral ósea  es 50% a 80% heredable, una asociación dominada por el fondo genético en comparación con los factores ambientales. El microbioma intestinal es también heredable  y no está claro  cuanto de la heredabilidad  de la densidad mineral ósea  en humanos resulta de la heredabilidad de la flora intestinal.

La administración oral de antibióticos representa un factor ambiental que puede influir  en el microbioma intestinal.  Estudios recientes en ratones reportan que  el tratamiento con antibióticos pueden influir  en el crecimiento del esqueleto y el contenido mineral óseo y que tales efectos dependen del sexo y la edad.  Por ejemplo, comenzando el tratamiento en el momento del destete, bajas dosis de antibióticos   resultan en un incremento de la tasa de crecimiento  corporal tempranamente en la vida. En otro estudio, el tratamiento con antibióticos  seguido por una dieta rica en grasa resultó  en un incremento  del crecimiento óseo y el contenido mineral óseo. En todos los casos, el tratamiento con antibióticos estuvo  asociado  con reducciones notables  en la diversidad microbiana intestinal.  Estos estudios y otros  ilustran el rol importante  del microbioma intestinal  en la regulación de la homeostasis ósea, particularmente  durante el periodo de crecimiento esquelético.

El microbioma intestinal puede tener un profundo efecto sobre la absorción de nutrientes  y la captación de calorías, lo cual puede tener efectos directos o indirectos sobre el metabolismo óseo. La desnutrición crónica  modifica el microbioma intestinal y está asociada  con alteración  del crecimiento óseo durante  la adolescencia. En un estudio reciente, la microbiota de niños sanos y niños desnutridos  (6 a 18 meses de edad) fue trasplantada  a ratones jóvenes libres de gérmenes. Cinco semanas después, los ratones que recibieron flora intestinal de niños sanos incrementaron más rápidamente el peso corporal  y la masa magra  que aquellos ratones que recibieron microbiota de niños desnutridos. Paradójicamente, los animales que recibieron flora intestinal  de donantes desnutridos  mostraron un incremento en el volumen del hueso cortical del fémur  y en la densidad mineral ósea en comparación con los animales que recibieron microbiota  de donantes sanos. Aunque estos estudios no proporcionan información  sobre la microestructura  o la biomecánica  del hueso, demuestran claramente que en casos de deficiencia nutricional, los cambios en la microbiota intestinal  contribuyen independientemente al crecimiento y desarrollo óseo.

Las alteraciones  en las hormonas sexuales son un estimulo primario para la pérdida ósea en humanos y las investigaciones recientes demuestran que los cambios en el microbioma intestinal están correlacionados  con alteraciones en el estatus hormonal y pérdida ósea. En este contexto, está demostrado que los ratones libres de gérmenes son resistentes  a la pérdida ósea  después de la depleción de estrógenos inducida farmacológicamente.  Estos efectos han sido atribuidos a insuficiencia en la regulación de la producción  de las citoquinas pro-osteoclastogénicas  RANKL, TNF e IL-17. Asimismo, hay dos reportes que indican que el tratamiento con probióticos previene la pérdida ósea inducida  por ovariectomía en ratones. Otros estudios en ratas sugieren que el tratamiento con antibióticos puede mejorar la pérdida ósea inducida por ovariectomía.  Por otra parte, el fenotipo inflamatorio asociado con alteración de la flora intestinal puede diferir entre machos y hembras, lo que sugiere que las hormonas sexuales circulantes pueden influir en los fenotipos dependientes de microbioma. En los humanos, el microbioma es alterado  durante el embarazo proporcionando otra evidencia que  el estatus hormonal influye en el microbioma.

El tratamiento con Lactobacillus o suplementos probióticos comercialmente disponibles ha sido asociado con incremento de la densidad ósea. Ratones C57B1/6 machos maduros (14 semanas de edad) tratados con lactobacillus por 4 semanas incrementaron en un 45% el volumen óseo trabecular, la formación de hueso, y  al mismo tiempo  redujeron la expresión  de citoquinas pro-inflamatorias en la circulación, pero no se observaron cambios en el hueso cortical. Por el contrario, hembras tratadas con los mismos probióticos  no exhibieron cambios significativos en el fenotipo óseo o alteraciones en los marcadores inflamatorios circulantes.  Los incrementos en volumen óseo han sido atribuidos  a alteraciones  en la absorción intestinal de calcio y/o nutrientes más que a alteraciones  en la inflamación sistémica. Una serie de estudios en ratas sugiere que los prebióticos (moléculas que promueven el crecimiento de microbios beneficiosos) pueden mediar la pérdida ósea  después de la ovariectomía y pueden influir en la adquisición de hueso.

Las alteraciones en el microbioma intestinal también se han observado en otras condiciones clínicas  en las cuales se desarrolla  osteopenia. Por ejemplo, la enfermedad intestinal inflamatoria está asociada con grandes cambios en la microbiota intestinal y los pacientes con esta enfermedad  tienen alto riesgo  de osteopenia, osteoporosis y fracturas asociadas con la fragilidad ósea. La osteopenia asociada con la enfermedad inflamatoria intestinal ha sido atribuida a alteraciones en la absorción intestinal de calcio, reducidos niveles de Vitamina D y vitamina K o pérdida ósea después de tratamiento con glucocorticoides, pero estudios recientes indican que la inflamación en el intestino está asociada  con un aumento en la producción de potentes citoquinas osteoclastogénicas, las cuales son contribuyentes claves  de la pérdida ósea, independiente de  la absorción de calcio u otros nutrientes.

En conclusión, aunque existe evidencia  en ratones que demuestra claramente  que el microbioma intestinal puede influir  en la masa y estructura  ósea, los mecanismos específicos  que subyacen a estos cambios no son bien entendidos. El microbioma intestinal es sensible al fondo genético, factores ambientales y nutricionales. Por otra parte, aunque el microbioma intestinal  exhibe una robusta respuesta  a estímulos externos, regresa rápidamente  a su estado original después de una alteración. La alteración del microbioma intestinal  tiene el potencial para servir  como un biomarcador  de la actividad metabólica ósea, así como también para ser blanco de terapias para mejorar la estructura y calidad ósea usando agentes farmacológicos  o pre o  probióticos.

Fuente: Hernández CJ et al (2016). Links between the microbiome and bone.  Journal of Bone and  Mineral Research 31: 1638-1646.

Mecanotransducción en el trabajo de parto

Si bien el principal objetivo del trabajo de parto es la dilatación cervical, es de importancia crítica  que el útero genere  grandes presiones  intrauterinas para que ocurra la dilatación.  Alvarez y Caldeyro-Barcia en el año 1950  fueron los primeros en realizar mediciones confiables en humanos de los aumentos de presión intrauterina causados  por las contracciones uterinas. En 1957, Caldeyro-Barcia concibió la “unidad Montevideo”  para cuantificar la presión intrauterina y relacionó esas unidades  con el progreso del trabajo de parto.  El concepto de presión intrauterina  es aun relevante  y clínicamente útil para determinar la calidad de las contracciones uterinas. Jeffcoate fue posiblemente el primero en considerar la importancia  de las contracciones uterinas coordinadas.  Utilizando un razonamiento  clínico, propuso  que las contracciones del “falso trabajo de parto” son incoordinadas. Alvarez y Caldeyro-Barcia  examinaron el concepto  de coordinación uterina midiendo la actividad contráctil en el útero humano con pequeños balones  colocados transabdominalmente  en la pared uterina. Estos estudios apoyaron la propuesta de Jeffcoate, concluyendo que las contracciones “pre-trabajo de parto” son diferentes de las contracciones del trabajo de parto debido a su pobre coordinación. Csapo, contemporáneo de Caldeyro-Barcia, describió una condición “transitoria”  que es similar  al concepto de contracciones pre-trabajo de parto Caldeyro-Barcia.  Para explicar la debilidad de las contracciones  que ocurren antes del trabajo de parto, Csapo propuso  “contracciones locales” que no comprenden la mayoría de la pared uterina.  Él argumentó  que el área de la pared uterina  que no participa  en una contracción podría alargarse cuando el área activamente contraída  incrementa la tensión de la pared y el alargamiento de las áreas pasivas podría atenuar  los aumentos de presión. Debido a este efecto, las altas presiones  del trabajo de parto pueden ser generadas  solamente cuando la mayor parte de la pared uterina  se contrae al mismo tiempo de una manera coordinada. Csapo no discute explícitamente  los cambios en la forma del útero como un factor importante  en la modulación del desarrollo de presión y quizá sobre enfatiza la naturaleza “todo o nada” de las contracciones del músculo uterino, pero junto con la coordinación  a nivel de órgano, estos factores  determinan grandemente la relación entre las contracciones de los miocitos individuales y generación de presión intrauterina. Él describió como aplicar la ley de Laplace para proporcionar  una relación cuantitativa entre la presión intrauterina, la tensión de la pared, el grosor de la pared y el radio local de curvatura.

Caldeyro-Barcia describió su modelo de función uterina “triple gradiente descendente” como una contracción similar a una onda  que comienza en el fundus, se propaga hacia abajo en el útero y disminuye  en fuerza y duración  en la medida que progresa. Otro hecho establecido es que el músculo uterino genera actividad eléctrica cuando se contrae, aunque Caldeyro-Barcia no enfatiza que la actividad contráctil  ocurre como un resultado  de la actividad eléctrica. Las investigaciones detalladas  de las propiedades eléctricas  de las células uterinas comenzaron a mediados de los años 50  y sobre la base  de sus resultados  se formalizó el concepto  de acoplamiento excitación-contracción  en el miometrio. Los avances recientes explican comprensivamente  la relación entre las propiedades de excitabilidad  de la membrana plasmática  y los mecanismos intracelulares que provocan las contracciones musculares.  En 1963, Csapo y Takeda reportaron que  en el trabajo de parto activo las señales bioeléctricas uterinas  son expresadas en “sincronía” con la generación  de presión intrauterina. Ellos utilizaron los datos de conejo como modelo  y examinaron  las predicciones del modelo en humano.  Csapo  propuso que las contracciones locales son creadas por descargas bioeléctricas localizadas del miometrio. El  definió las contracciones locales como “no  propagadas” y las contracciones del trabajo de parto como “propagadas”. Estos términos enfatizan que su concepto  para la señal uterina  involucra  la propagación del potencial de acción. La conexina 43 es la proteína responsable del acoplamiento eléctrico célula-célula en el corazón y el descubrimiento  de conexina 43 en el útero  proporcionó un mecanismo para la comunicación eléctrica en el útero. Los resultados de diversos estudios en los años 80 y 90   apoyan  el concepto  que la conexina 43  incrementa la excitabilidad  miometrial y que la propagación del potencial de acción  es el mecanismo para la señal eléctrica  de corta y larga distancia. En los años finales del siglo XX, se estableció que los potenciales  de acción  tiene tres funciones importantes: inicio y mantenimiento  de las contracciones celulares, reclutamiento de células para su participación en la contracción y señal a nivel de órgano para coordinar la actividad contráctil en todas las partes del útero. Sin embargo, surgieron discrepancias con relación  a la propagación del potencial de acción como  mecanismo  para la  señalización de distancias largas.

El reclutamiento  de tejido ocurre durante la fase de elevación  de una contracción, la cual dura aproximadamente 20 segundos en humano. Hay dos maneras cómo un potencial de acción propagado  puede ser señal en distancias largas en ese tiempo. Primero, un potencial de acción moviéndose lentamente  puede viajar en una ruta recta. Suponiendo que el punto inicial  está en la pared frontal, el potencial de acción viaja una distancia de 40 cm aproximadamente  para llegar a la pared posterior. Una velocidad > 2 cm/s podría ser suficiente para esta cubrir esta ruta y estos valores  son rutinariamente observados  en humanos y roedores. Sin embargo, hay una duda significativa  que los potenciales de acción miometriales viajen en línea recta. El mapeo eléctrico de alta resolución  del miometrio  en el cobayo revela  que los potenciales de acción  se propagan en rutas tortuosas y usualmente no se propagan  más allá de unos pocos centímetros. En este contexto, un estudio reciente concluye  que la propagación eléctrica en humano  es impredecible y muestra patrones complejos. La segunda manera es viajar rutas tortuosas muy rápidamente. En el útero se han reportado velocidades muy rápidas (>80 cm/s) durante el trabajo de parto. Sin embargo, estos valores han sido cuestionados  pues con la técnica de EMG de alta resolución, la velocidad medida durante el trabajo de parto activo fue <4 cm/s. Adicionalmente, el mecanismo de propagación de un potencial de acción implica que el reclutamiento de tejido es contiguo y ocurre sin brincar áreas grandes. Con el uso de dispositivos  de interferencia cuántica se ha podido establecer que  la actividad bioeléctrica  aparece súbitamente en localizaciones al azar que no son contiguas y que la máxima distancia que se puede propagar un potencial de acción  es de 6-10 cm. Por lo tanto, el potencial de acción parece que se propaga lentamente en el tejido, en rutas complejas, no contiguas y cubre solamente distancias cortas.

En 1947, Bozler reportó  que la distensión  del extremo renal de un uréter  de perro resulta en cambios en el potencial eléctrico y una contracción que se propaga  a lo largo del uréter. Aun considerando que el uréter no es presurizado, esto fue una clara evidencia que un músculo liso visceral utiliza la mecanotransducción para expresar la fisiología normal. El primer reporte experimental  que indica que la mecanotransducción  puede ser importante en la señalización a nivel de órgano apareció en 1965. Su autor, Takeda, estudió el útero postparto de conejo represurizado. En este estudio, la actividad eléctrica  de dos partes del útero fue sincronizada  por mecanotransducción  a través de una señal  “hidrodinámica”  y presión intrauterina. En 1984, Singer y Col.  estudiaron   tejido aislado de útero  grávido de oveja y encontraron que la  actividad eléctrica continua  es requerida  para la contracción. Estos hallazgos apoyan un modelo que utiliza la propagación del potencial de  acción  para toda señalización uterina al tiempo que considera la mecanotransducción  como irrelevante para el trabajo de parto normal. Sin embargo, cuatro años más tarde, el mismo grupo de investigadores  concluyó que  la actividad eléctrica  raramente se propaga  más de 3 cm por lo que especularon sobre la participación de una “onda fluida  intrauterina”. En 2010, Barclay y Col. publicaron un modelo matemático  de función uterina global que incluye a la mecanotransducción  como mecanismo de señalización. Ellos asumen que una contracción local podría iniciar directamente  otras contracciones locales, pero limitan la interacción a los tejidos físicamente adyacentes.

La naturaleza y el rol de los marcapasos uterinos han sido por mucho tiempo tema de controversia. Las cuestiones fisiológicas fundamentales siguen sin respuesta, incluyendo el número de marcapasos, su localización, si son -o no-  fijos, el tipo de célula que los componen y los eventos celulares que disparan los potenciales de acción. En un modelo similar al corazón, el útero tiene un marcapaso electrogénico con una localización fija. Caldeyro-Barcia demostró  que hay al menos dos marcapasos, cada uno  localizado a cada lado  del fundus. Él también demostró que algunas contracciones no se originan en el fundus, aunque en su modelo del “triple gradiente descendente”, las contracciones normales solamente se originan  a partir de uno de los marcapasos del fundus. Después del hallazgo de actividad marcapaso  en múltiples sitios, Csapo  no restringe las posibles localizaciones tampoco sugiere que  son fijos.  Él indicó que la actividad de un marcapaso causa una contracción local y que hay varios marcapasos en el útero.  Csapo, como Caldeyro-Barcia, asume que en el trabajo de parto solamente hay una contracción propagada, la cual es iniciada  por un marcapaso. En 1971, Wolfs y Col. reportaron que la localización de la señal bioeléctrica inicial no necesariamente está en el fundus y varía de contracción  a contracción en la misma paciente. Asimismo, notaron que las señales bioeléctricas  “sincronizan” con  la generación de presión en la medida que progresa el trabajo de parto. En 1979, Wolfs y Van Leeuwen  formularon un nuevo modelo de función a nivel de órgano. Ellos definieron  la “unidad contráctil” como una contracción localizada  que resulta de la actividad  de un marcapaso. En este modelo, una contracción coordinada  de trabajo de parto  resulta de la actividad simultánea de muchas unidades contráctiles. Esto es una diferencia significativa  con los modelos previos  pues propone  que múltiples marcapasos  son activados  durante una contracción de trabajo de parto. Adicionalmente, sugieren que la coordinación ocurre mediante un potencial de acción  que se propaga  a través del útero.

De acuerdo con la ley de Laplace el aumento de presión a su vez incrementa la tensión en la pared, o estrés, a través  del útero. El estrés es  tensión  por área de corte transversal. El músculo se alarga en respuesta al aumento de estrés, lo cual provoca una caída  en la presión, pero a costo del grosor  de la pared. Como la pared uterina no es homogénea, algunas áreas experimentan mayor delgadez relativa  que otras y esas áreas delgadas  tendrán mayor estrés. Entonces, la distensión mecánica  del útero incrementa marcadamente la actividad de muchos marcapasos  y solamente se requiere un corto tiempo para crear contracciones moderadamente coordinadas. En un tiempo más largo, la coordinación de los marcapasos mejora y aumentan los picos de presión. Tanto Csapo como Wolfs señalan  que la sobre distención del útero aumenta la actividad  de los marcapasos, pero ninguno de los dos propone que  el mecanismo está basado en la mecanotransducción o que las propiedades  mecánicas del tejido influyen activamente  las contracciones de trabajo de parto. Sin embargo, estudios in vitro demuestran que la actividad eléctrica  y la producción de fuerza  comienzan después del inicio de la tensión causada por un área “líder” y que la actividad eléctrica de las áreas “siguientes” precede a la producción de fuerza. Adicionalmente, este estudio  demuestra que la tensión causada por la actividad eléctrica inducida por   el área líder  en el área siguiente  resulta en la contracción del área  siguiente. En suma: hay soporte experimental  para la existencia de múltiples marcapasos electrogénicos en el útero y  al menos algunos de ellos son sensibles  a la estimulación mecánica. La pregunta es, ¿cómo se sincronizan los marcapasos  en el trabajo de parto in vivo?

Los datos en animales y humanos indican que un potencial de acción  no viaja distancias mayores que unos pocos centímetros. Por otra parte, sobre la base de la señal hidráulica y la mecanotransducción se ha desarrollado un mecanismo de señalización de larga distancia. La combinación de este mecanismo  para señalización de larga distancia con el mecanismo de propagación  del potencial de acción para señalización de distancias cortas ha dado lugar al modelo de mecanismo dual  (o “modelo dual”) de la función uterina.  La mecanotransducción es un fenómeno aceptado  del miometrio, pero el modelo dual la identifica como relevante en el trabajo de parto normal. Para la señal hidráulica, una contracción local incrementa ligeramente la presión intrauterina, lo cual aumenta globalmente la tensión en la pared. La tensión de la pared aumentada  induce mecánicamente contracciones locales adicionales que elevan más la presión. Esto provoca  un reclutamiento por retroalimentación positiva que explica la emergencia de las contracciones consistentemente fuertes del trabajo de parto. El modelo dual se basa en tres premisas. Primera, la actividad bioeléctrica localizada sugiere que el potencial de acción viaja distancias no mayores de 6-10 cm, por lo tanto, el potencial de acción no es el mecanismo que coordina las contracciones uterinas  a nivel del órgano completo. Segunda,  hay numerosos marcapasos electrogénicos,  sensibles mecánicamente,  distribuidos a través de la pared uterina, lo cual inicia  a nivel tisular potenciales de acción  durante cada contracción. Tercera, la activación coordinada  de los marcapasos a través de distancias largas involucra a la presión intrauterina, la tensión en la pared y la mecanotransducción. El modelo dual puede ser resumido como sigue: si una contracción localizada es expresada, la presión intrauterina podría aumentar ligeramente. La tensión podría aumentar proporcionalmente  y rápidamente  a través de la pared uterina  porque la presión es la misma en una cavidad encerrada presurizada (principio de Pascal). La mayor tensión podría entonces reclutar mecánicamente marcapasos susceptibles de localización física relativa a la contracción inicial. De esta manera, siguiendo a un evento local se puede generar una contracción uterina coordinada globalmente. 

La descripción de las etapas del modelo dual (contracciones de trabajo de parto) es como sigue: (1) El útero es un órgano esferoidal hueco lleno con un liquido incomprensible y la presión intrauterina es del orden de 10 mmHg. Entre las contracciones hay poca o ninguna actividad eléctrica o contráctil, aunque la presión basal coloca una tensión basal  en el miometrio  a través de la pared uterina. (2) Un marcapaso electrogénico inicia un potencial de acción  en una localización aleatoria de la pared uterina. El inicio podría ser espontáneo o inducido mecánicamente. (3) A nivel tisular, el potencial de acción, o una ráfaga de potenciales de acción, se propaga 6-10 cm  en 2-3 segundos y luego finaliza. El miometrio se contrae cuando -y solamente cuando- experimenta un potencial de acción. Esta contracción local  es definida como una contracción “regional” porque está limitada  a la región de la pared uterina  que expresa un evento de potencial de acción. Las regiones incluyen  el grosor completo de la pared y 6-10 cm en cada una de las dos dimensiones  a través de la superficie uterina. Si el tamaño promedio es 8 x 8 cm² y asumiendo que el útero esférico contiene 5 litros, la pared uterina está compuesta por aproximadamente 22 regiones. (4) La primera contracción regional eleva ligeramente la presión intrauterina. (5) La presión intrauterina aumentada incrementa la tensión en la pared de acuerdo con la ley de Laplace. Debido a la dependencia de parámetros locales, la cantidad  de tensión experimentada en las diferentes localizaciones  variará, aún cuando la misma presión intrauterina se dispersa por todas las áreas de la pared uterina.  (6) Un incremento local en la tensión de la pared  activa otros marcapasos mecánicamente sensibles. No hay restricciones  en la localización del nuevo sitio marcapaso, pues la tensión en la pared incrementa a través del útero. (7) La activación  del nuevo marcapaso inicia un potencial de acción propagado, lo cual resulta  en una contracción regional en la nueva localización. (8) Con la contracción  de otra región,  aumenta aún más la presión intrauterina,  aumenta nuevamente la tensión en la pared a través del útero, son activados más marcapasos mecanosensibles y más regiones son reclutadas para participar en la contracción. El proceso se repite sucesivamente. Este mecanismo puede ser referido  como presión-tensión-mecanotransducción. La señal de larga distancia es acompañada por los componentes presión hidráulica-tensión del mecanismo mientras la mecanotransducción recluta marcapasos.  (9) El mecanismo de retroalimentación positiva recluta regiones en paralelo y proporciona un medio para sincronizar las actividades de los marcapasos mecánicamente sensibles y coordina la contracción uterina. (10) Cada región se relaja  después de un tiempo determinado por las propiedades metabólicas y eléctricas del tejido. Después de la contracción, el tejido de una región entra en periodo refractario para  estar nuevamente disponible para reclutamiento presión-tensión-mecanotransducción y participar  en la próxima contracción.  

La relación entre tensión de la pared y presión intrauterina  descrita en las etapas 1-10 se desvía ligeramente  de la ley de Laplace porque no se considera  que: (a) las regiones que no se contraen se alargan ligeramente  y la presión aumenta, (b)  el útero se vuelve más esférico  en la medida que aumenta la presión intrauterina. El alargamiento de las regiones que no se contraen tiende a elevar bruscamente la presión  y a enlentecer el reclutamiento de marcapasos pero el cambio de forma del útero crea efectos más complejo, al hacerse más esférico disminuye la relación área de superficie-volumen, lo cual tiende a reducir la presión.  Sin embargo, el cambio de forma puede no incrementar ni disminuir el estrés local  en una región dependiendo  de la localización. Entre las contracciones las paredes frontal  y posterior son relativamente planas  (gran radio de curvatura). Cuando comienza la contracción, estas regiones se vuelven más curvas (el radio local de curvatura disminuye), lo cual tiende  a disminuir el estrés de la pared  y a enlentecer el reclutamiento de marcapasos. Lo contrario ocurre  en los lados y el fundus que son más curvos entre las contracciones. En la medida que se desarrolla la contracción las desviaciones de la ley de Laplace  se reducen con la forma esférica, y el número de regiones activas  excede a las regiones inactivas.

El modelo dual también proporciona  una explicación para las transiciones entre la quiescencia del miometrio y el  pre-trabajo de parto y finalmente el trabajo de parto. Las contracciones de pre-trabajo no activan marcapasos mecánicamente sensibles para entrar a la fase de retroalimentación positiva  de reclutamiento de regiones (etapas 6-10). Esto sugiere que  la transición del útero al fenotipo trabajo de parto  se lleva  acabo  a través de las siguientes fases: (1) expresión de los componentes celulares requeridos para la excitabilidad de la membrana y el acoplamiento excitación-contracción, incluyendo la actividad  del marcapaso electrogénico; (2) expresión de conexina 43 para permitir el acoplamiento de miocitos individuales en un sincitio a nivel tisular y la capacidad  para propagar potenciales de acción  a nivel tisular en distancias de 6-10 cm; (3) expresión de sensibilidad mecánica  de los marcapasos  electrogénicos.  La transición  de la quiescencia  al pre-trabajo  progresa a través de las fases 1 y 2. El inicio del trabajo de parto ocurre en la fase 3 y enfatiza la importancia clínica  de la mecanotransducción. Debido a que las contracciones de trabajo de parto utilizan  mecanismos de señalización  completamente diferentes, el modelo dual identifica las contracciones de pre-trabajo y de trabajo de parto  como fundamentalmente diferentes.

En conclusión, tres componentes claves del modelo dual –rápida señal de larga distancia, disparo mecánico y actividad eléctrica- convergen en el concepto de  marcapasos electrogénicos mecánicamente sensibles distribuidos a través  de la pared uterina. El modelo dual retiene  el acoplamiento excitación-contracción y la propagación  del potencial de acción para la señalización en distancias cortas (<10 cm) y por lo tanto más que un reemplazo es una extensión del modelo de potencial de acción.  La señal presión-tensión ocurre rápidamente  a través de la pared uterina  con respecto a la localización física  de las regiones previamente  activadas. El reclutamiento no se restringe a interacciones cercanas o vecinas. Una vez que se inicia la contracción, las regiones son reclutadas  en paralelo más que en serie o contigüidad. La señal hidráulica requiere solamente una fracción de segundo  para viajar a todas partes de la pared uterina. La mecanotransducción  es la etapa limitante  y depende  de la sensibilidad mecánica de cada marcapaso.

Fuente: Young RC (2016). Mechanotransduction mechanisms for coordinating uterine contractions in human labor.  Reproduction 152: R51-R61.

Control de la secreción de glucagón

Después del descubrimiento de los islotes pancreáticos por Paul Langerhans en 1869, Diamare en 1899 encontró que contienen dos tipos  de células, los cuales fueron designados  `por Lane en 1907 como células α y β  (también conocidas más tarde como células A y B). En 1915 Homans predijo que las células B eran el origen  de “una secreción interna vital para la utilización de la dextrosa”, y esa hormona que disminuye la glucosa  o insulina fue  descubierta  por Banting y Best  en 1921. En 1923 Murlin y Col. observaron  que los extractos de insulina pancreática algunas veces estaban  contaminados con un factor hiperglucemiante que llamaron glucagón y cuya producción  fue relacionada con las células α por Sutherland y De Duve en 1948. En 1931, Blom identificó un nuevo tipo de células (células D) en los islotes humanos y en 1969 Hellman y Lemmark demostraron que esas células secretan un factor que inhibe la secreción de insulina. Este factor de las células D (células δ) fue identificado como somatostatina por Goldsmith y Col. en 1975.

El glucagón  es la principal hormona contra-reguladora de la glucosa y su rol fisiológico más importante  es prevenir la hipoglucemia.  La secreción  de glucagón es estimulada cuando la concentración sanguínea de glucosa cae por debajo del nivel de reposo. Desafortunadamente este mecanismo está comprometido en la diabetes, lo que implica un deterioro de la recuperación de la hipoglucemia que accidentalmente puede ocurrir en los pacientes sometidos  a tratamientos agresivos para reducir las complicaciones de la diabetes.  Como mecanismo esencial  para la supervivencia y el bienestar, la liberación de insulina y glucagón  es controlado por múltiples mecanismos directos e indirectos.  Por ejemplo, la concentración sanguínea de glucosa  es monitoreada por células “sensoras”   de glucosa en la vena porta  y en diferentes regiones del cerebro, lo cual resulta en  estimulación parasimpática de la secreción de insulina en la hiperglucemia y la liberación de glucagón en la hipoglucemia, así como inhibición simpática  de la secreción de insulina y estimulación  de la secreción de glucagón en la hipoglucemia. Sin embargo, la contribución de la influencia neural puede diferir entre las especies pues los islotes humanos son menos inervados que los islotes de roedores.  Más aún, el control de la secreción de insulina y glucagón por la glucosa  persiste en el páncreas perfundido  y en islotes pancreáticos aislados.

Desde hace aproximadamente 30 años hay una teoría unificada sobre cómo las células β  reconocen la glucosa y la consiguiente señal que dispara la liberación de insulina. Los principales aspectos  de la llamada hipótesis consenso  aún son validos e implican que la glucosa  es tomada rápidamente  por las células β y metabolizada para generar  ATP. El incremento resultante  de la relación ATP/ADP cierra  canales  de K⁺ sensibles a ATP (K_ATP), para despolarizar  la célula β, y abre  canales de Ca²⁺ tipo L dependientes de voltaje.  La entrada de Ca²⁺ aumenta la concentración citoplasmática  de Ca²⁺ [Ca²⁺]_i, el disparador más importante de la liberación de insulina. Este modelo implica que las células β tiene una capacidad intrínseca  para “sensar” glucosa  y liberar insulina cuando es requerida, pero la secreción disparada por la [Ca²⁺]_i  también puede ser aumentada o disminuida  por  incremento o disminución  de AMPc, así como por la modulación  de la proteína kinasa C y la proteína fosfatasa calcineurina, mediada por efectos paracrinos de glucagón, somatostatina y neurotransmisores como acetilcolina y noradrenalina.  

El entendimiento de cómo la glucosa regula la secreción de glucagón por las células α ha progresado más lentamente y todavía se proponen diferentes mecanismos. Aunque en general se acepta que el Ca²⁺ y el AMPc tienen funciones similares en la secreción   de insulina y glucagón, los datos recientes indican que algunas veces la liberación de glucagón  puede ser controlada independientemente  de la [Ca²⁺]_i. La carencia  de inhibición paracrina  de las células α es a menudo considerada  como subyacente  a la hipersecreción de glucagón en la hiperglucemia diabética. Por otra parte, los factores paracrinos  han sido implicados  en el control de la secreción de glucagón por la glucosa en la hipoglucemia. Sin embargo, el espectro de factores paracrinos  liberados por las células de los islotes  claramente difiere en hipo- e hiperglucemia debido a las sensibilidades a la glucosa especificas de los diferentes tipos de células  en los islotes.

Los islotes pancreáticos de ratón y humano expuestos a condiciones hipoglucémicas incrementan su liberación  de glucagón con efecto máximo en  ausencia completa de azúcar, aunque hay menos energía disponible para secreción bajo esas condiciones en las células α.  La retroalimentación positiva ha sido propuesta para potenciar la secreción de glucagón en esta situación y para explicar cómo los cambios relativamente modestos en la glucosa sanguínea pueden garantizar la regulación apropiada  de la liberación de glucagón.  Por otra parte, el glucagón amplifica su propia secreción  en las células α aumentando el AMPc,  y el glutamato co-liberado con el glucagón puede promover la secreción de glucagón aumentando la [Ca²⁺]_i después de la activación autocrina de receptores AMPA/kainato.

La insulina liberada por las células β es aún considerada un potencial mediador  de la secreción de glucagón inhibida por glucosa. La insulina puede activar  canales K_ATP para hiperpolarizar  la célula α,  cerrar  canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje, incrementar la expresión  de receptores GABA_A o inducir la degradación de AMPc después de la activación de la fosfodiesterasa 3B. Otros estudios proponen que el Zn²⁺ co-liberado con la insulina media la inhibición de la secreción de glucagón. La liberación de ATP por los gránulos secretorios de la célula β  también ha sido implicada en la inhibición paracrina de la señal Ca²⁺  y la secreción de glucagón por las células α de islotes de ratón. Por otra parte,  esta inhibición  de la secreción de glucagón involucra la activación del receptor de purinas P2Y₁, según algunos estudios. Sin embargo, este hallazgo está en contradicción con la observación en islotes de rata que demuestra que el bloqueo de este receptor inhibe  la liberación de glucagón.  Otros potenciales inhibidores derivados de las células β son el GABA y su metabolito ácido γ-hidroxibutírico (GHB). El GABA, el cual inhibe la liberación de glucagón activando la entrada de Cl^- que hiperpolariza la célula α, está presente  en las microvesículas  y en los  gránulos que contienen insulina. El GHB, cuya liberación es estimulada por la glucosa a través de  un mecanismo desconocido, actúa sobre potenciales receptores inhibidores en las células α.

La máxima inhibición  de la liberación de glucagón  en islote de ratón y humano se alcanza con glucosa 5-7 mM, la cual corresponde  a la glucemia normal en estas especies. Un problema general con la idea que la insulina y los factores co-liberados con la insulina  median la secreción de glucagón  es que en islotes de ratón, la liberación de insulina solamente es estimulada por concentraciones de glucosa  mayores que 5-7 mM. Aunque  el umbral para la secreción  de insulina en humanos  es menor, la liberación de glucagón  es también regulada por concentraciones de glucosa  por debajo de este umbral.

La influencia paracrina de las células β sobre las células α no necesariamente es inhibitoria. La relación dosis-respuesta de la liberación de glucagón regulada por glucosa indica que las concentraciones de glucosa por arriba de 20 nM estimulan la secreción de glucagón  por islote de ratón.  La dependencia  de la concentración de glucosa en forma de U indica efectos estimuladores e inhibidores de la glucosa. El componente  estimulador  ha sido atribuido a la insulina en base a la observación  que esta hormona más que inhibir, estimula la liberación de glucagón  por islotes humanos expuestos a glucosa 6 nM, pero los estudios con antagonistas del receptor de insulina  indican que bajo condiciones hiperglucémicas, la insulina  es inhibidora  o  carece de efecto sobre la liberación de glucagón. El ATP de los gránulos secretores de insulina y la adenosina formada por la degradación extracelular de ATP son otros potenciales  amplificadores de la secreción de glucagón.  El efecto estimulador de la adenosina es mediado por receptores A₂ que aumentan el AMPc, mientras la acción directa del ATP sobre  receptores P2Y₁ que elevan el Ca²⁺, puede ser estimuladora o inhibidora de la liberación de glucagón. Un aspecto particularmente interesante de los receptores P2Y₁  es que pueden mediar  la sincronización de las oscilaciones  de [Ca²⁺]_i generadoras de secreción de insulina entre células β dispersas e islotes pancreáticos que carecen de contacto físico. Es posible que se requiera  más de un mecanismo inhibitorio  para suprimir la secreción de glucagón  bajo condiciones hiperglucémicas.

La somatostatina de las células δ,  un potente inhibidor  de la liberación de insulina y glucagón, ha sido propuesto  como regulador paracrino de la liberación de glucagón a través de la mediación  del efecto inhibidor de la hiperglucemia. La inhibición preferencial de la liberación de glucagón debido a la mayor sensibilidad a la somatostatina  de las células α con relación a las células β, refleja las diferencias entre los subtipos de receptores de somatostatina  (SSTR); es decir, receptores SSTR2 de células α de humanos y roedores  y receptores SSRT1 y SSRT5 de células β de humanos y roedores, respectivamente. La más cercana asociación espacial entre células δ y α que entre células δ y β de islotes de ratón también puede contribuir al efecto preferencial sobre la secreción de glucagón en esta especie.  La somatostatina  actúa reduciendo la producción de AMPc, vía subunidad G_α acoplada al SSRT2, y deprimiendo los gránulos secretores de glucagón después de la activación de la  fosfatasa serina/treonina, calcineurina. En comparación con los factores de las células β, una ventaja de la inhibición de la liberación de glucagón mediada por somatostatina es que puede operar también en hipoglucemia, pues la glucosa estimula la liberación de somatostatina   en concentraciones similares a las que inhiben la secreción de glucagón en islotes de ratón y humano. Otra evidencia del rol de la somatostatina en la regulación de la secreción de glucagón en hiperglucemia se ha obtenido a partir de la cinética de la secreción. En islotes de humano y ratón, la liberación pulsátil de la hormona  generada por la hiperglucemia coincide con los pulsos de insulina y somatostatina  sincronizados en una fase opuesta  a los pulsos de glucagón. Esta relación es consistente  con la posibilidad que los picos de somatostatina  generen el nadir  de la liberación pulsátil de glucagón.  Dado que la liberación pulsátil de glucagón  está paradójicamente sincronizada con las oscilaciones de [Ca²⁺]_i, tal rol requiere que la somatostatina inhiba la liberación de glucagón  cuando la [Ca²⁺]_i alcanza un pico.

Las células en contacto directo  a menudo se comunican por interacciones entre las moléculas efrina y Eph unidas a membrana, las cuales funcionan  como ligandos y receptores, o ambos, y pueden mediar rutas de señalización  bidireccionales para controlar funciones celulares. Las moléculas Eph son receptores tirosina kinasa activados por efrina. En las células β,  la señal “hacia delante” de efrinaA a EphA  inhibe la liberación de insulina promoviendo la polimerización de la red de actina debajo de la membrana plasmática, mientras la señal “reversa” de EphA a efrinaA promueve la secreción de insulina a través de la despolimerización de actina. Un estudio reciente propone que la amplificación por la glucosa de la señal efrinaA de una célula β a receptores EphA4 de una célula α complementa la inhibición paracrina de la liberación de glucagón y explica la hipersecreción de glucagón cuando las células β desaparecen  en la diabetes. El principal argumento  para este control “yuxtacrino” de la liberación de glucagón  es que la activación  de la señal hacia delante  por exposición de células α purificadas a moléculas de efrinaA fusionadas con IgG restaura la inhibición  de la liberación de glucagón   por la glucosa. Además de arrojar luces sobre la regulación de la liberación de glucagón, los mecanismos yuxtacrinos podría ayudar a explicar las diferencias  en la señal [Ca²⁺]_i entre células α aisladas y las células localizadas en su ambiente natural en los islotes pancreáticos.

De acuerdo con la hipotesis consenso para la liberación de insulina inducida por glucosa, el metabolismo de la glucosa  es esencial para el reconocimiento del azúcar como estimulo por la célula β. Considerando que la secreción hormonal es regulada por la glucosa en células α y β y que estos tipos de células  se originan  a partir de un precursor común, es posible que la glucosa pueda ser  “sensada” por mecanismos celulares similares. En las células β de roedores, el transporte de glucosa  es mediado por el GLUT2 de alta km, el cual es apropiado para “sensar” la glucosa sanguínea en la hiperglucemia. Desde este punto de vista, es natural que las células α de roedores, las cuales actúan preferencialmente como “sensoras” de glucosa en la hipoglucemia,  expresen transportadores GLUT1 de baja km. Sin embargo, las células β humanas que “sensan”  concentraciones mayores de glucosa  también expresan GLUT1 de baja km y el transporte de glucosa no es la fase limitante para su metabolismo pues se estima que es 5 a 10 veces mayor que la utilización de glucosa  en células α y β. La glucokinasa de alta Km,  enzima fosforilasa  de glucosa, es la etapa limitante en las células β y puede tener esta función  también en las células α con similar actividad glucokinasa. El flujo glucolítico es comparable  en células β y α, pero la oxidación de la glucosa es considerablemente menor  en las células α y la fosforilación oxidativa  es menos eficiente debido a la alta expresión de la proteína desacopladora 2 (UCP2). Estas diferencias se reflejan en cambios inducidos por glucosa  más pequeños de ATP, FAD y NADPH en las células α. 

Hay diferencias significativas en la electrofisiología entre células β y α. De acuerdo con los patrones secretores, las células β son eléctricamente activas  y muestran oscilaciones de [Ca²⁺]_i con concentraciones altas de glucosa, mientras las células α son activas en ausencia de glucosa. El cierre de los canales K_ATP inducido por glucosa despolariza la célula β para abrir canales de Ca²⁺ tipo L que muestran su máxima actividad con voltajes de -19 mV y esta permeabilidad al Ca²⁺ domina  la tasa de potenciales de acción en la célula β. Esto es más complejo en las células α con canales de Ca²⁺ tipo T que activan potenciales  con voltajes tan bajos como -60 mV y canales de Na⁺ que se abren con voltajes  más positivos que -30 mV. Hay también canales  de Ca²⁺ tipo L  y tipo N en las células α, aunque algunos estudios indican que los canales tipo N  pueden ser de tipo P/Q. Mientras la entrada de Ca²⁺  a través de canales tipo L dispara la liberación de insulina  en las células β, la relación entre  entrada de Ca²⁺ en las células α y liberación de glucagón es más complicada.  En las células α de roedores los canales tipo L son dominantes (80%)  y median la mayor entrada de Ca²⁺ pero su bloqueo tiene poco efecto sobre la secreción de glucagón.  Por el contrario, el bloqueo de canales no tipo L (20%) tiene un efecto modesto sobre la [Ca²⁺]_i pero inhibe la secreción de glucagón  en una extensión similar a la elevación de glucosa  de 1mM a 6 o 7 mM. La mayor importancia  de los canales no tipo L se atribuye a su intima asociación  con los gránulos secretores de glucagón. En presencia  de adrenalina, la cual despolariza células α,  moviliza Ca²⁺ del retículo endoplásmico e incrementa el AMPc, la entrada de Ca²⁺ extracelular  a través de canales tipo L dispara la exocitosis  de los gránulos  de glucagón  que no se co-localizan con estos canales. En las células α humanas, los canales P/Q dominan  sobre los canales tipo L y promueven la mayor parte de la exocitosis, aunque  ellos abren por poco tiempo  y solamente median una fracción de la entrada de Ca²⁺. El hecho que la inhibición de la liberación de glucagón por la glucosa  está asociada con una modesta  reducción de la señal  de [Ca²⁺]_i es consistente  con la idea que son más importantes los canales de Ca²⁺ cercanos a los gránulos de glucagón. Por otra parte, la entrada de Ca²⁺ adicional  puede explicar porque la inhibición de la liberación de glucagón por la glucosa es menos completa y tiene un rango menos dinámico que la estimulación de la liberación de insulina por la glucosa.

De acuerdo con la hipótesis consenso para la liberación de insulina estimulada por glucosa, el ATP actúa bloqueando canales K_ATP para despolarizar la célula β. El modelo más citado para la regulación intrínseca de la célula α asume la misma secuencia de eventos, lo que significa que la glucosa inhibe la liberación de glucagón  por despolarización  de la célula α. El modelo resulta contra-intuitivo pues  incorpora que la entrada de Ca²⁺  inducida por la despolarización  en la célula α dispara la secreción de glucagón. En este modelo solamente una pequeña fracción del Ca²⁺ que entra  a la célula α dispara la liberación de glucagón, y la despolarización sostenida inhibe la secreción por reducción del potencial de acción. Bajo condiciones estimuladoras (baja concentración de glucosa), los  canales de Ca²⁺ tipo T disparan espontáneamente a partir de aproximadamente -60 mV y causan una despolarización que activa canales de Na⁺, los cuales a su vez activan canales de Ca²⁺ tipo L y por poco tiempo canales de Ca²⁺ tipo P/Q. Los canales tipo P/Q son más importantes para la secreción que los canales tipo L pues se localizan más cerca de los gránulos secretores. La repolarización depende de la activación de canales de K dependientes de voltaje (k_i). La glucosa inhibe la secreción de glucagón por una despolarización levemente sostenida  después del cierre de los pocos canales K_ATP que aún siguen abiertos. La despolarización inactiva los canales de bajo umbral  (canales de Ca²⁺ tipo T y canales de Na⁺) y previene la entrada de Ca²⁺ a través de los canales P/Q y por consiguiente la liberación de glucagón. Una implicación de este modelo  es que los potenciales de acción que subyacen a la secreción de glucagón solamente pueden ser generados en un estrecho rango de potencial de membrana, suficientemente despolarizado para activar los canales de Ca²⁺ tipo T y al mismo tiempo suficientemente hiperpolarizado  para prevenir su inactivación así como la de los canales de Na⁺.

En la mayoría de células excitables la despolarización subyace a la entrada de Ca²⁺  dependiente de voltaje que dispara una respuesta celular. Desde este punto de vista  se podría esperar  que la célula α despolarizada  libere glucagón  en ausencia de glucosa y que la elevación de glucosa, contrario al modelo centrado en K_ATP, inhiba la secreción por hiperpolarización de la célula α. Aunque hay opiniones diferentes  acerca del efecto de la glucosa sobre el potencial de membrana  de  la célula α, la hiperpolarización es la observación más común. El modelo centrado en canales K_ATP está basado  en un repertorio especial de canales iónicos  de las células α  diferente del de las células β, pero el compromiso de estos canales en la generación de potencial de acción no excluye que la glucosa inhiba la liberación de glucagón por hiperpolarización de las células α. En las células β, la elevación de glucosa rápidamente genera  ATP y una débil despolarización que coincide con la disminución  de [Ca²⁺]_i pues el ATP  no sólo bloquea  los canales K_ATP sino que también  energiza la Ca²⁺-ATPasa del retículo sarcoplásmico  (SERCA) para secuestrar Ca²⁺  en el retículo endoplásmico(ER). No es sino hasta que la despolarización es suficiente para abrir los canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje que incrementa la [Ca²⁺]_i para disparar la primera fase de la secreción de insulina. Una similar disminución  de la [Ca²⁺]_i inducida por la glucosa  por secuestro en el ER ha sido observada en células α de cobayo. Resulta extraño que el secuestro de Ca²⁺ en el ER explique  la inhibición sostenida  de la liberación de glucagón, pues su capacidad de almacenamiento de Ca²⁺ es limitada. Sin embargo, el llenado de Ca²⁺ del ER controla una corriente despolarizante operada por depósito en la membrana plasmática que es al menos parcialmente impulsada por la entrada de Ca²⁺.  En las células β y α la corriente operada por depósito es pequeña y solamente causa una modesta elevación en la [Ca²⁺]_i. En las células β, la activación  de la corriente operada por depósito por la inhibición de la SERCA eleva marginalmente la [Ca²⁺]_i basal, mientras las células α reaccionan con una pronunciada elevación de la [Ca²⁺]_i e involucra también la entrada de Ca²⁺ dependiente de voltaje que estimula la liberación de glucagón  y previene o reduce  la inhibición por glucosa. La razón para esta diferencia es que la baja conductancia de la membrana de las células α hace  al potencial  de membrana  suficientemente sensible a las pequeñas corrientes despolarizantes  que activan la entrada de Ca²⁺ dependiente  de voltaje. La alta sensibilidad a las pequeñas corrientes  es la base para el control de la liberación de glucagón  operada por depósito en las células α sensoras de glucosa.

La entrada de Ca²⁺ operada por depósito  en las células β está inversamente relacionada con el contenido de Ca²⁺ del ER de una manera graduada. El control operado por depósito de la liberación de glucagón por las células α implica que en la hipoglucemia, con poco ATP como combustible de la bomba SERCA, se producirá una liberación neta  de Ca²⁺ del ER y la activación de la ruta despolarizante operada por depósito que resulta en la entrada de Ca²⁺  dependiente de voltaje y la liberación de glucagón. Durante el retorno a la normoglucemia, la bomba SERCA gradualmente se vuelve más energizada para llenar el ER con Ca²⁺ y desactivar la cascada estimuladora. Algunas diferencias importantes entre las células α y β proporcionan argumentos que apoyan el mecanismo operado por depósito. En las células β se  requiere glucosa 8-20 mM para llenar el ER, mientras en las células α se alcanza un máximo con glucosa 3 mM.  Una diferencia similar se observa cuando se compara la cinética espacio-temporal del sensor de Ca²⁺  del ER, STIM1,  y la proteína del canal de Ca²⁺ de la membrana plasmática, Oral1, los cuales son componentes moleculares de la ruta operada por depósito. El vaciamiento de Ca²⁺ del ER  induce la translocación de STIM1 del ER a la membrana plasmática  donde se asocia con Oral1 para activar la corriente operada por depósito en las células α y β, y la  glucosa revierte  este proceso estimulando la re-translocación  de STIM1  al ER de una manera gradual. En las células β la re-translocación es saturada con glucosa 11-20 mM, mientras en las células α solamente se requiere glucosa 3 mM. Asimismo, concentraciones hipoglucémicas  controlan la liberación de glucagón  y la ruta operada por depósito en las células α, mientras en las células β, concentraciones bastante diferentes controlan  esta ruta.

En conclusión, hay creciente evidencia que la glucosa tiene efectos inhibidores y estimuladores  sobre la secreción de glucagón y que actúa directamente  sobre la célula α o indirectamente vía señal paracrina y/o yuxtacrina de otros tipos de células de los islotes. La mayoría de modelos para la regulación de la liberación de glucagón por la glucosa centran su atención en el Ca²⁺ como disparador de la secreción. Sin embargo, hay que considerar la posibilidad que el Ca²⁺ tenga  un rol más permisivo y que la regulación por la glucosa  en términos de inhibición  y estimulación sea mediada por factores moduladores como el AMPc. Esta alternativa es particularmente atractiva  considerando que la glucosa solo disminuye modestamente la [Ca²⁺]_i en la célula α. En hiperglucemia, los factores paracrinos son más importantes para la regulación de la liberación de glucagón por la glucosa y la estimulación de las células β acopladas eléctricamente determinan la pulsatilidad hormonal en el islote  liberando factores sincronizadores que afectan a las células α y β.. Dado que el componente estimulador  de la glucosa sobre la secreción de glucagón aumenta con la concentración de azúcar, múltiples procesos inhibidores  pueden ser requeridos para determinar la inhibición como el efecto dominante   de la glucosa sobre la secreción de glucagón. Los procesos intrínsecos de la célula α son más importante  para la regulación de la liberación pulsátil de glucagón durante la recuperación de la hipoglucemia y la inhibición paracrina por somatostatina es determinante en la hipoglucemia.

Fuente: Gylfe E (2016). Glucose control of glucagon secretion--“There´s a brand-new gimmick every year” Upsala Journal of Medical Sciences 121: 120-132.